Estrategia para la reconversión de una industria integrada de azúcar y derivados para la producción de etanol y coproductos a partir del bagazo

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(1)Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Facultad de Química-Farmacia Departamento de Ingeniería Química. Tesis presentada en opción al Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas Especialidad Ingeniería Química. Estrategia para la reconversión de una industria integrada de azúcar y derivados para la producción de etanol y coproductos a partir del bagazo.. Autor: MSc. Ing. Marlén Morales Zamora. Santa Clara 2012.

(2) Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Facultad de Química-Farmacia Departamento de Ingeniería Química. Tesis presentada en opción al Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas Especialidad Ingeniería Química. Estrategia para la reconversión de una industria integrada de azúcar y derivados para la producción de etanol y coproductos a partir del bagazo.. Autor: MSc. Ing. Marlén Morales Zamora Tutor: Dr. Sc. Erenio González Suárez Dr. Harry Verelst. Santa Clara 2012.

(3) ÍNDICE. ÍNDICE INTRODUCCIÓN. Págs.1. CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. 5. 1.1 Desarrollo diversificado de la Industria Azucarera. 5. 1.1.1 Etanol de bagazo de caña. 6. 1.1.2. Vigilancia tecnológica de la producción de etanol de bagazo. 10. 1.1.3 Furfural de bagazo de caña. 13. 1.1.4 Tableros de fibras de bagazo de caña. 18. 1.2 Reconversión en la industria de procesos. 21. 1.2.1 Criterios a considerar hacia una gestión en la vida útil de los equipos. 22. 1.2.2 Análisis de la fiabilidad de los equipos para la reconversión. 24. 1.2.3 Importancia de la simulación de procesos para los estudios de reconversión. 27. en la industria 1.2.4 Herramientas fundamentales para la integración de procesos. 29. 1.3 Estrategias planteadas hacia la reconversión en la industria. 30. 1.4 Estrategia para la reconversión de una industria integrada ante la. 33. incorporación de nuevas producciones Conclusiones parciales capítulo 1. 36. CAPÍTULO 2. ESTUDIOS TECNOLÓGICOS EN LA APLICACIÓN DE LA. 37. ESTRATEGIA PARA LA RECONVERSIÓN EN UNA INDUSTRIA 2.1 Introducción al caso de estudio. 37. 2.2 Diagnóstico en las plantas de derivados. 39. 2.2.1 Limitaciones en materias primas y energía. 44. 2.3 Oportunidades para la reanimación y reconversión de las plantas. 45. 2.4 Estudios previo inversionistas para la reanimación y reconversión en las. 51. plantas 2.5 Modificación y reconversión en las plantas para la incorporación de los nuevos productos y tecnologías. 55.

(4) ÍNDICE. 2.5.1 Etapa de hidrólisis ácida del bagazo en la planta de furfural. 56. 2.5.2 Etapa de fermentación en la planta de etanol. 63. 2.5.3 Etapa de maceración en la planta de tableros. 66. Conclusiones parciales capítulo 2. 69. CAPÍTULO. 3.. EVALUACIÓN. TÉCNICA-ECONÓMICA. DE. LA. 70. 3.1 Simulación de los procesos integrados a partir de las modificaciones y. 70. PROPUESTA DE RECONVERSIÓN. reconversiones 3.1.1 Simulación del proceso de producción de azúcar y bagazo. 71. 3.1.2 Simulación del sistema de cogeneración con bagazo. 75. 3.1.3 Simulación de la producción integrada de furfural y etanol. 77. 3.2 Aplicación de los modelos en el caso de estudio. 82. 3.3 Integración másica en la planta de tableros de fibras. 84. 3.4 Evaluación de la fiabilidad y disponibilidad de las instalaciones ante la. 86. reconversión 3.5 Evaluación económica de la adaptación de los nuevos productos y. 91. tecnologías en los sistemas de instalaciones Conclusiones parciales capítulo 3. 97. CONCLUSIONES. 98. RECOMENDACIONES. 99. BIBLIOGRAFÍA. 100. ANEXOS. 116.

(5) INTRODUCCIÓN. Para triunfar en un mundo tan competitivo como el actual, e incluso para sobrevivir las empresas no se deben considerar definitivamente instaladas en un mercado, ni en una tecnología determinada. Resulta de vital importancia, considerar sistemas de instalaciones y no plantas aisladas, aspecto válido no solo para las nuevas instalaciones, sino también para la reconstrucción y modernización de las ya existentes y buscar una adaptación más efectiva a las nuevas condiciones materiales y energéticas en equilibrio con el medio ambiente. Una modernización, reordenamiento o reconversión en una instalación industrial debe concentrarse en tres objetivos esenciales para las inversiones en un país en desarrollo, los cuales se basan en: incrementar la capacidad de la planta con una calidad estable del producto y una disminución de los consumos, especialmente los importados, reestructurar el surtido de producción de acuerdo a la demanda del mercado, disminuir el tiempo de retorno de la inversión destinada a la modernización de las plantas e incrementar la disponibilidad de la instalación (González, 1993; González, 2008). La economía cubana necesita ser cada día más eficiente y competitiva para insertarse en los mercados globalizados del mundo y poder alcanzar los niveles de utilidades que desea el país. La industria azucarera cubana, desde hace ya varios años, ha desarrollado una estrategia para incrementar su competitividad a partir de la diversificación, desde producciones con tecnologías simples, hasta las basadas en la química sintética, la biotecnología y en los procesos de obtención de nuevos materiales. Aprovechando las ventajas que ofrece la caña de azúcar como fuente renovable de recursos materiales y energéticos, se plantea que la producción de azúcar tendrá una economía estable y ventajosa en la medida en que se integre la producción de los derivados (González, 1997; Díaz, 2000; Augusto, 2004; Gálvez, 2004). El estudio de los problemas operativos en las plantas de procesos, la corrección de defectos, la fiabilidad, disponibilidad y modernización de las instalaciones, ha sido una práctica permanente en la industria. Si bien las grandes empresas proveedoras de ingeniería incorporan estos avances en sus propuestas, por lo general no trabajan en actualizaciones, modernizaciones, puestas a punto y reconversiones del equipamiento existente hacia nuevas producciones, lo cual trae la obsolescencia del. 1.

(6) INTRODUCCIÓN. equipamiento y el no aprovechamiento de capacidades e instalaciones (Rosa, 1996; Campbell, 1999; Yañez, 2004; Morales, 2010a). Las fuentes de biomasa para la producción de biocombustibles continúan en fase de desarrollo, siendo más reciente su aplicación en biorrefinación. Las biorrefinerías se basan en la integración de los procesos de conversión de la biomasa en la obtención de energía y productos de alto valor agregado, con mínimos residuales e impactos ambientales (Kaylen, 2000; Wyman, 2005b; Caye, 2008; Demirbas, 2010). La biomasa cañera es un subproducto de la industria azucarera con elevadas potencialidades de desarrollo para producciones, de ahí que sea una de las industrias con mayores posibilidades de reconversión o reordenamiento de sus instalaciones para la producción de biocombustibles (Gálvez, 2004; González, 2008). El bagazo se utiliza fundamentalmente en la generación de energías térmica y eléctrica, para el consumo de los ingenios y plantas de derivados; como materia prima para la producción de tableros, alimento animal, furfural y más reciente hacia la producción de etanol de segunda generación (Gálvez, 1988; Kaylen, 2000). El furfural es un producto de alto valor agregado, con un amplio espectro de aplicaciones en la práctica y en la industria de procesos. Se utiliza ampliamente en la industria del petróleo, de papel, en la síntesis de resinas con acetonas, urea, formol. Además tiene utilización como material anticorrosivo, plásticos de moldeo, pinturas anticorrosivas, aglutinante, entre otros usos (Wismer, 2005; Uppal, 2008). Las aplicaciones de los tableros de bagazo han experimentado un continuo ascenso debido, fundamentalmente, a su adaptabilidad para sustituir elementos de la madera, sobre todo como material en la industria de la construcción. La producción de etanol a partir de residuos lignocelulósicos como el bagazo, proporciona diversas posibilidades de mezclas de combustible de mejor calidad, así como reducción de emisiones de carbono que inciden en el efecto invernadero y la obtención de coproductos en el contexto de biorrefinerías. Esta producción puede realizarse por distintas vías que difieren básicamente en la generación de los azúcares monoméricos a partir de la celulosa y hemicelulosa de la materia prima, como son: hidrólisis ácida, concentrada o diluida e hidrólisis enzimática (Wyman, 2007; Galbe, 2002, Demirbas, 2010).. 2.

(7) INTRODUCCIÓN. La empresa azucarera Amancio Rodríguez de la provincia de las Tunas, cuenta con la única planta de producción de furfural a partir de bagazo de caña de azúcar de Cuba y una planta de tableros de fibras de bagazo. Desde hace varios años, la explotación de estas producciones ha estado afectada producto de la paralización de estas plantas, consecuencia de la situación económica del país, por limitación de la demanda de furfural en su momento, por problemas operacionales en la etapa de hidrólisis, por ser alta consumidora de energía, por disminución de la disponibilidad de caña y el encarecimiento de los portadores energéticos en el mercado internacional. De acuerdo con los lineamientos económicos aprobados en el VI Congreso del Partido Comunista de Cuba, referido al desarrollo agroindustrial y la diversificación azucarera, el nuevo escenario que se presenta para la industria tiene como objetivo estratégico la reconversión de la misma hacia el rescate de producciones eficientes y ambientalmente compatibles (PCC, 2012). El aprovechamiento de las capacidades e instalaciones existentes en las plantas de derivados se hace necesario para la reanimación y reconversión de la industria, disminuyendo costos inversionistas e incrementando la disponibilidad de las plantas. Siendo el bagazo de la caña de azúcar un coproducto con elevadas potencialidades para la producción de energía, furfural, tableros y etanol, resulta importante su integración en el contexto de biorrefinería a partir de la biomasa cañera con la utilización de las instalaciones existentes en las plantas de derivados. La problemática científica de la investigación se enmarca en la necesidad de aprovechar las capacidades e instalaciones existentes de las industrias de la caña de azúcar en la asimilación y adaptación en una biorrefinería integrada a partir del bagazo. Hipótesis Es posible lograr una estrategia para la reconversión de las industrias de la caña de azúcar con la incorporación de la producción de etanol y reanimación de coproductos a partir del bagazo, que permita aprovechar las capacidades e instalaciones en el concepto de biorrefinería. Objetivo general. Desarrollar una estrategia para la reanimación y reconversión de las industrias de la caña de azúcar con la incorporación de la producción de etanol y otros coproductos 3.

(8) INTRODUCCIÓN. a partir del bagazo, que permita aprovechar las capacidades e instalaciones en el concepto de biorrefinería. Objetivos específicos. 1. Proponer una estrategia para la reconversión de la industria que permita lograr un aprovechamiento de las capacidades instaladas y las posibilidades de emplear las instalaciones existentes de forma integrada ante la incorporación de nuevas producciones. 2. Realizar el análisis de reanimación y reconversión de las instalaciones existentes en una industria de derivados de la caña de azúcar para incrementar la producción de etanol y coproductos considerando la fiabilidad y la disponibilidad. 3. Evaluar técnico y económicamente el impacto de alternativas de integración de los procesos de producción de etanol y coproductos a partir del bagazo, a partir de los resultados de la reconversión.. Novedades fundamentales de la investigación: - Una estrategia para la reconversión y reanimación de una industria diversificada a partir del aprovechamiento de las capacidades y el equipamiento instalado en las plantas con la incorporación de nuevas producciones. - Se realiza una modificación a la tecnología de producción de furfural con el aprovechamiento de los residuales del proceso para la incorporación de la producción de etanol de residuos lignocelulósicos.. Aportes fundamentales de la investigación. - Se evalúan diferentes fermentaciones de mezclas de sustratos azucarados de diferentes fuentes como son: mieles, jugo de los filtros e hidrolizado de bagazo. - Se obtienen tableros de fibras a partir de la utilización de mezclas de residuos sólidos celulósicos como: bagazo, residuo sólido de la hidrólisis ácida del bagazo y residuo sólido de la hidrólisis enzimática. - Se simula la producción integrada de etanol-furfural a partir del bagazo utilizando un enfoque modular secuencial.. 4.

(9) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA 1.1 Desarrollo diversificado de la Industria Azucarera. El cultivo de la caña y la producción de azúcar han sido desde el mismo nacimiento de la nación cubana, base de su economía y un elemento significativamente vinculado a su desarrollo social, a su cultura y a sus tradiciones. La variabilidad de los precios del azúcar en el mercado mundial sugiere que la diversificación de la industria azucarera es un requerimiento urgente de los países exportadores de azúcar (Gálvez, 2000). La caña de azúcar es una planta de características excepcionales, capaz de sintetizar carbohidratos solubles y materiales fibrosos a un ritmo muy superior al de otros cultivos. Esta propiedad le abre un amplio espectro de aprovechamiento para un elevado número de derivados y subproductos (Augusto, 2004; Gálvez, 2004; Morales 2007). Por cada 100 t de caña procesada para la producción de azúcar se obtienen entre 28 y 30 t de bagazo y 20 t de residuos agrícolas (Gálvez, 2000). El bagazo adquiere en Cuba un uso creciente, en la medida en que avanza un estratégico programa de diversificación. Es el mayor subproducto de la industria azucarera y se usa fundamentalmente en la generación de energías térmica y eléctrica para el consumo de los ingenios y plantas de derivados (Gálvez, 1988; González, 1997; Díaz, 2000). El bagazo y los residuos de la cosecha de la caña de azúcar contienen alrededor de un 70 % de carbohidratos. Los datos de la literatura indican que el bagazo contiene 41-52 % de celulosa, 25-30 % de pentosanos y 18-25 % de lignina, por lo que su composición química es más cercana a la de las maderas duras que a la de las maderas blandas (Gastón col, 2000; Banerjee&Pandey, 2002). Los xilanos son, después de los glucanos, los carbohidratos más importantes en el bagazo. La xilosa representa casi un tercio del contenido de azúcares en los hidrolizados de bagazo (Puls, 1993).. 5.

(10) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Del bagazo y el bagacillo, por ejemplo, se obtienen celulosa, furfural, etanol, carbón activado, alimento para ganado, tablones aglomerados y moldeados, plásticos como el acetato de celulosa o rayón y relleno en plásticos, concreto y otros materiales de construcción. (Moreda, 1997; Fernández, 1997). En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques de los coproductos derivados del bagazo de caña de azúcar.. Figura 1.1 Esquema de los diferentes coproductos derivados del bagazo. La obtención de productos de alto valor agregado, a partir del bagazo implican varias premisas que deben conformar la estrategia para la correcta diversificación de esta materia prima como son: (Fernández, 2000). -. Disponer de un mercado seguro para todos los productos integrados que garanticen la efectividad empresarial del proceso.. -. Disponer de tecnologías viables para la separación de los polímeros naturales que lo componen. (celulosa, lignina y xilosa); así como, lograr la purificación y calidad requerida de cada uno de ellos para el producto específico.. -. Integrar el proceso de producción para el producto en cuestión con las restantes corrientes que se generan que no pueden ser consideradas residuos por su magnitud y valor.. 1.1.1 Etanol de bagazo de caña. El modelo energético mundial está tomando un nuevo rumbo debido fundamentalmente a la disminución progresiva de las reservas combustibles fósiles y a la crisis existente en el mercado del petróleo, de ahí que la atención de los. 6.

(11) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. investigadores se ha marcado hacia la búsqueda de nuevas fuentes de energías limpias y renovables, como la producción de biocombustibles (Benito, 2005). Se entiende por biocombustibles, al biodiesel, bioetanol y biogás que se producen a partir de materias primas de origen agropecuario, agroindustrial o desechos orgánicos. El etanol se puede extraer de cereales (maíz, trigo, avena, cebada), papa, remolacha, caña de azúcar, biomasa forestal, residuos pecuarios, residuos de las cosechas y las agroindustrias (Benito, 2005; Comas, 2004). Sus principales ventajas se basan en: -Reducción de las emisiones de carbono, lo cual tiene una incidencia muy positiva en la problemática de cambio climático causado por los gases del efecto invernadero. - Genera empleos directos e indirectos, correspondientes a los empleos del agro, operación de biorrefinerías y empleos temporales para la construcción y montaje de las mismas durante los primeros años. El etanol y sus derivados serían muy importantes, no solamente para sustituir importaciones, sino también porque crearían nuevas exportaciones con un mayor valor agregado. Este aspecto podría ser un atractivo para la inversión extranjera y para proyectos de industrialización en el país (González, 2008; Comas, 2004; Morales, 2009). La obtención de etanol a partir de residuos lignocelulósicos, sigue el mismo esquema que el proceso con biomasa azucarada o amilácea, como se muestra en la figura 1.2. No obstante, la complejidad estructural de la biomasa lignocelulósica, hace necesaria una etapa de pretratamiento eficaz para lograr incrementar el balance global de los procesos de conversión posteriores. El objetivo del pretratamiento es romper la estructura de la fibra de lignocelulosa para facilitar el ataque enzimático. Durante el pretratamiento se produce: el fraccionamiento de la biomasa en sus componentes principales (celulosa, hemicelulosa y lignina), la reducción de la cristalinidad de la celulosa y el aumento del área superficial accesible (Hsu, 1996).. 7.

(12) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Figura 1.2 Etapas en el procesamiento de los materiales lignocelulósicos. El pretratamiento constituye una de las etapas más costosas y menos desarrolladas del proceso de obtención de azúcares a partir de la biomasa lignocelulósica, por lo que la mejora del mismo constituye una de las líneas de investigación preferentes en esta área (Wyman, 2005a). La heterogeneidad de la biomasa hace que no exista un pretratamiento válido para todas ellas. La elección del pretratamiento dependerá de la composición de la materia prima y de las aplicaciones posteriores. Atendiendo a su naturaleza los pretratamientos pueden clasificarse en físicos, químicos, térmicos y biológicos, además de las posibles combinaciones entre ellos (Sun&Cheng, 2002). El pretratamiento físico puede ser mecánico, como el astillado y la molienda, o no mecánico, en los que la alteración del material se logra mediante agentes externos, como los tratamientos con radiación y la pirólisis a temperaturas intermedias. En los pretratamientos químicos se emplean agentes químicos para alterar la estructura lignocelulósica y solubilizar los azúcares. Entre los pretratamientos químicos más estudiados se encuentran, los que utilizan ácidos, álcalis, disolventes orgánicos y agentes oxidantes (Hsu, 1996; Sun&Cheng, 2002). La hidrólisis ácida puede realizarse con ácidos diluidos o concentrados como: sulfúrico, clorhídrico, fosfórico, nítrico y fórmico, entre otros. Cuando se emplean ácidos concentrados, generalmente se opera a bajas temperaturas, obteniéndose altos rendimientos; por ejemplo, a partir de una mezcla de astillas de maderas duras y blandas, se ha obtenido un 82 % de eficiencia en la obtención de azúcares mediante el empleo de ácido sulfúrico al 26 % en peso (Hernández, 2005; Iranmahboob, 2002). 8.

(13) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. La principal ventaja de la hidrólisis diluida es el menor consumo de ácido. En la figura 1.3 se muestra el efecto de la temperatura en el rendimiento total de azúcares (Larsson, 1997; Lenihan, 2010). Se observa cómo se requieren altas temperaturas para lograr rendimientos aceptables en glucosa, lo que provoca a su vez una mayor descomposición de los azúcares procedentes de la hemicelulosa, generando compuestos como el furfural. Se aprecia una caída considerable del rendimiento debido a la descomposición de los azúcares.. Figura 1.3 Efecto de la temperatura en el rendimiento total de azúcares a 5 % (w/w) concentración de ácido (Lenihan, 2010). La hidrólisis enzimática presenta, al menos, tres ventajas potenciales frente a los procesos catalizados por ácidos: mayores rendimientos de azúcares debido a que es un proceso muy específico, menor costo de equipo ya que se realizan a presión atmosférica y bajas temperaturas aunque los costos de adquisición se incrementan debido a la utilización de equipos en serie en función de la capacidad, y por otra parte, no existe producción de sustancias tóxicas como consecuencia de la degradación de los azúcares que pudieran comprometer la fermentación posterior (Söderström, 2003; Larsson, 1997; Martin, 2002). Para efectuar esta hidrólisis, suele utilizarse un complejo enzimático compuesto por endo y exoglucanasas suplementadas con ß-glucosidasas cuyo objetivo es asegurar la ruptura de las moléculas de celobiosa generadas por la acción de las otras enzimas (Breuil, 1990). En función de la concentración de enzima, la concentración de sustrato y el tiempo de operación, el ataque enzimático resulta en una disolución de glucosa, que puede utilizarse como medio de fermentación para su transformación en etanol y en un residuo sólido (Söderström, 2003; Larsson, 1997; Martin, 2002).. 9.

(14) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Las principales dificultades para hidrolizar por vía enzimática los materiales lignocelulósicos están relacionadas, con la baja actividad específica de las enzimas de las que se dispone en la actualidad y por tanto con la necesidad de un elevado consumo de las mismas durante el proceso y con la propia estructura de los sustratos lignocelulósicos nativos. A pesar de ello, la hidrólisis enzimática de residuos celulósicos es uno de los caminos más prometedores (Lynd, 2002). El alto costo de las enzimas celulolíticas es uno de los factores que influyen negativamente para hacer competitivo el proceso de obtención de etanol a partir de residuos lignocelulósicos, frente a los procesos basados en materias primas ricas en almidón (Balat, 2009). En este sentido, el Programa de Biomasa desarrollado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos colabora con los dos principales productores mundiales de enzimas, Genencor International y Novozymes, con el objetivo de lograr una reducción significativa (entre 10 y 50 veces) del costo actual de las enzimas (DOE, 2006). La incorporación de la etapa de hidrólisis enzimática en un central azucarero con una planta de etanol tradicional permitirá: aprovechar un residuo lignocelulósico con contenido de azúcares a fermentar logrando reducción de miel por concepto de compra en tiempo de no zafra; incrementar capacidades de producción no aprovechadas, considerando que para el caso de estudio es de interés el etanol para la exportación por la cercanía a puerto y para la industria ronera y la adaptación de la industria azucarera cubana como una biorrefinería integrada. 1.1.2. Vigilancia tecnológica de la producción de etanol de bagazo. Los mayores productores mundiales de etanol son los Estados Unidos, seguido por Brasil, con una producción aproximada de 18 billones de L/a a partir de almidón de maíz y 17 billones de L/ a partir de caña de azúcar, respectivamente. Sin embargo, el etanol producido a través de residuos lignocelulósicos tiene inconvenientes reportados por varios autores, (Söderström, 2003; Larsson, 1997; Martin, 2002; Yang y Wyman, 2008; Lynd, 1995; Hsu, 1996; Wyman, 2005b; Mesa, 2010) los más frecuentes son: -El pretratamiento utilizado tradicionalmente para eliminar la lignina es muy costoso. - La producción de enzimas capaces de hidrolizar la celulosa/hemicelulosa ocurre en reactores microbiológicos muy costosos. 10.

(15) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. - El costo de inversión para una planta de producción de etanol a partir de bagazo de caña es 50 % mayor que para una planta similar a partir de melazas (Aden, 2002; Mousdale, 2008). Uno de los conceptos más abordados en estos tiempos, es el de biorrefinería integrada como se muestra en la figura 1.4. Conversión de la Biomasa Conversión Termoquímica Pirólisis Carbón. Licuefacción Biocombustibles. Gas condicionante. Conversión bioquímica. Gasificación. Residuos. Azúcares. Gas de síntesis. Alimento animal. Fermentación. Calor y electricidad combinada. Biorrefinería s. Combustibles, productos químicos y materiales Figura 1.4 Diagrama del concepto de biorrefinería (Demirbas, 2010). La biomasa además de utilizarse en el sector energético, agrícola y forestal, amplía su utilización hasta el sector químico, por lo que la industria química juega un papel esencial en la obtención de gran variedad de bioproductos de valor añadido (Huang, 2008; Caye, 2008; Demirbas, 2010). Desde este punto de vista, un aspecto clave es la etapa de fraccionamiento de la materia prima, en este caso bagazo. La biomasa es fraccionada en tres componentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina. A partir de estas fracciones pueden obtenerse múltiples productos que incluyen vapor y/o electricidad (por combustión del residuo rico en lignina), biocombustibles (mediante la fermentación de la glucosa principalmente) y líneas de productos químicos basados en la celulosa, xilosa (como el xilitol, alcohol y el furfural) y la lignina (adhesivo natural). Para reducir los costos y acelerar la aplicación comercial del etanol de residuos lignocelulósicos, se ha recomendado considerar los siguientes requerimientos en el pretratamiento visto como fraccionamiento de la biomasa (Yang y Wyman, 2008; Lynd, 1995; Hsu, 1996; Wyman, 2005b; Van Walsum, 1996): 11.

(16) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA.  La necesidad de que los productos químicos en el pretratamiento y su subsecuente neutralización y condiciones de prefermentación sean mínimos y poco costosos.  La molida de la biomasa en partículas de pequeño tamaño es costosa y de alto consumo de energía, por lo que son deseables tecnologías de pretratamiento que requieran una limitada reducción del tamaño de partículas.  Lograr con el pretratamiento un alto rendimiento de azúcares fermentables de hemicelulosa.  La concentración de azúcares desde las etapas de pretratamiento e hidrólisis enzimática acopladas deben ser superiores al 10 % para asegurar que las concentraciones de etanol sean adecuadas y los costos del proceso aguas abajo sean manejables.  Los reactores de pretratamiento deben ser de bajo costo, a través de minimizar sus volúmenes, de manera que favorezcan más las etapas de reacción química y no las etapas difusionales, y se minimicen los defectos de flujos por agua muertas. No requerir materiales especiales de construcción.  El líquido hidrolizado del pretratamiento debe ser fermentable a bajos costos, y altas condiciones de rendimiento.  Los productos químicos formados, durante las condiciones de hidrolizado en preparación de los subsiguientes pasos biológicos, no debe originar cambios de procesamiento o depósitos.  La lignina y otros constituyentes deben ser recobrados para su conversión a valiosos coproductos y simplificar el proceso aguas abajo.  La distribución de azúcares recobrados entre el pretratamiento e hidrólisis enzimática debe ser compatible con la selección de organismos para fermentar los azúcares de 5 átomos de carbono.  El vapor y la potencia demandada para el pretratamiento debe ser bajo y compatible para la integración térmica con el resto del proceso. Uno de los factores limitantes para utilizar la biomasa como fuente de energía y de productos químicos es lo referente al aseguramiento de su recolección y transportación hacia el lugar de destino (De Cerqueira, 2009). Resulta importante señalar que siendo Brasil el país mayor productor de etanol a partir de caña de azúcar, tiene concedida 3 patentes utilizando el bagazo para la 12.

(17) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. producción de etanol. La titularidad de las patentes brasileñas recae en dos de los grupos nacionales empresariales más potentes del país, PetroBras, relacionado con los combustibles y DEDINI, relacionado con la industria azucarera (WO 200865433, WO 200751269). La generalización de este proceso permitirá que Brasil, para este año pueda suministrar el 10 % de etanol de toda la gasolina global. 1.1.3 Furfural de bagazo de caña. El bagazo sometido a una digestión ácida a alta temperatura hidroliza la celulosa, obteniéndose furfural, alcohol metílico, acetona y ácido acético, así como ácido levulínico y furfurílico. Otras materias primas para la obtención de furfural son la madera, el olote de maíz, la cascarilla de arroz, la borra de algodón y otras (Carrasco, 1996; Zeitsch, 2000). El furfural, furfuraldehído o fural es un solvente selectivo para productos petroquímicos. Desde 1996, casi la mitad del consumo mundial de furfural se destina a la producción de alcohol furfurílico, resinas y como solvente en la preparación de nylon. Sirve de relleno y extensor en madera laminada y también se usa para la producción de tetrahidrofurano, en la extracción del butadieno y en la fabricación de insecticidas amigables con el ambiente y nematicidas. El derivado 2-metilfurano se emplea como solvente orgánico, pesticida e intermediario farmacéutico (Mansillahl, 1998; Zeitsch, 2000; Vázquez, 2007). Al igual que el etanol, el furfural forma un azeótropo binario con agua (65% de agua en peso). Sin embargo, a diferencia del etanol, el azeótropo es parcialmente miscible con agua y es posible la separación de las fases del líquido (Zeitsch, 2000). El proceso patentado por la Corporación de Energía Pura logra la hidrogenación a 2-furfural metil tetrahidrofurano (2-MTHF), el cual es aprobado por la DOE como un aditivo para combustible (Wismer, 2005). Al igual que el furfural, el agua forma un azeótropo heterogéneo (10 % peso) con 2-MTHF produciendo la ruptura del líquido. El 2-MTHF es parcialmente oxigenado, con un alto grado de octanaje, con una baja presión de vapor en relación con las otras especies de C5. Además, puede actuar como un disolvente para alcoholes tales como etanol y metanol con gasolina (Zeitsch, 2000; Wismer, 2005). 13.

(18) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. A partir de la década del 70, en el Instituto Cubano de Derivados de la caña de azúcar (ICIDCA) en colaboración con otros diez centros del país, se investigó la síntesis de derivados furánicos con actividad biológica para su aplicación en la agricultura como plaguicidas. Uno de estos centros es la Planta de Bioactivos Químicos de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, la cual utiliza como materia prima el furfural para la producción de 2-(2-nitrovinil) furano (G-O) y 2-bromo-5-(2-bromo-2-nitrovinil) furano (G-1), productos activos farmacéuticos y esterilizantes de uso en biofábricas, los cuales han sido evaluados en múltiples estudios como inhibidores de la corrosión electroquímica en los metales (Cabrera, 1997; Cabrera, 2002; Morales, 2003). La mayor parte del furfural se utiliza como disolvente en el refinado de aceites lubricantes y junto con el alcohol furfurílico, en condensaciones con formaldehido, fenol, acetona o urea. Además, para obtener resinas con excelentes propiedades para su termo conformado, alta resistencia a la corrosión, bajo peligro de incendio y muy buena resistencia física, usados extensamente en la industria de la fundición como machos para moldes de alta calidad (Zeitsch, 2000; Vázquez, 2007). La tecnología para la obtención del furfural incluye la hidrólisis y un proceso de refinación. El furfural se forma como consecuencia de la hidrólisis de los pentosanos y la descomposición de las pentosas, según las siguientes reacciones: (1) Hidrólisis de los pentosanos: T= (140 0C – 220 0C) 𝐶5𝐻8𝑂4 𝑛 + 𝑛𝐻2𝑂 = 𝑛𝐶5𝐻11𝑂5 n x 132,14 + n x 18,016 = n x 150,130 g/mol (2) Deshidratación de las pentosas: 𝐶5𝐻10𝑂5 𝑛 − 3𝐻2𝑂 = 𝐶5𝐻4𝑂2 150,130 g/mol – 54,048 g/mol = 96,082 g/mol 3) Descomposición del furfural: 𝐶5𝐻4𝑂2 = 𝐶𝑂2𝐻2 + 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎𝑠 La reacción total puede describirse como: Pentosanos - 2 x Agua = Furfural. 32,114 g/mol – 36,032 g/mol = 96,082 g/mol. Para un rendimiento de furfural teórico de: Yt = 96,082/132,114 = 0,72727 En la práctica resulta imposible lograr estos rendimientos dado la rápida descomposición del furfural. El objetivo es encontrar las condiciones que favorezcan las reacciones 1 y 2: formación de pentosa y furfural, al mismo tiempo 14.

(19) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. que se limite al máximo la reacción 3: descomposición del furfural (Figura 1.5) (Zeitsch, 2000).. Figura 1.5 Comportamiento de las constantes cinéticas con la temperatura. La reacción de descomposición de la pentosa es catalizada por los propios productos ácidos formados en el proceso. La descomposición del furfural origina principalmente ácido fórmico y sustancias poliméricas de alto peso molecular. El catalizador más generalizado en la práctica industrial es el ácido sulfúrico por su aceptable actividad catalítica y bajo costo (Mansillahl, 1998; Montané, 2002). La concentración del catalizador es una variable a considerar en el sistema de reacciones. En la figura 1.6 se puede observar la influencia de la concentración de ácido sulfúrico con la concentración y rendimiento de furfural para diferentes tiempos de reacción.. Figura 1.6 Influencia de la concentración del catalizador en el comportamiento de la concentración y rendimiento de furfural para diferentes tiempos de reacción. Condiciones, flujo de 2,5 módulos/h, Tinicial=145 0C, Tfinal= 170 oC. Consumo de H2SO4 1) 1 %; 2) 0,7 %, 3) 0,5 %.. 15.

(20) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. De la figura 1.6 se observa que, los mejores comportamientos se reportan a la mayor concentración de H2SO4 (1 %). Las curvas de comportamiento logran incrementos a los 15 min de reacción, pero comienzan a disminuir a medida que aumenta el tiempo debido a la descomposición del furfural (Zeitsch, 2000; Villar, 1986). La figura 1.7 muestra la influencia de la temperatura en los rendimientos de furfural al variar el tiempo de reacción (Zeitsch, 2000; Villar, 1986).. Figura 1.7 Influencia de la temperatura en el comportamiento de la concentración y rendimiento de furfural para diferentes tiempos de reacción. Condiciones, flujo de 4 módulos/h, H2SO4, 1,5 %, 1)170 oC 2) 165 oC 3) 155 oC. La temperatura influye favorablemente en el rendimiento de furfural. La concentración de furfural en el condensado pasa por un máximo a menores tiempos de reacción y luego disminuye; dicha magnitud es mayor al elevarse la temperatura.. Figura 1.8 Influencia del tiempo de reacción en el rendimiento de furfural, con la concentración de H2SO4 y la temperatura de reacción (Zeitsch, 2000). 16.

(21) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Según la figura 1.8 se observa que a menores concentraciones de H2SO4 aumenta el rendimiento para menores temperaturas de reacción, pero se requieren mayores tiempos de reacción. Por lo que lograr un compromiso entre estas variables resulta importante para su aplicación en la práctica (Morales, 2010a). Un factor importante en el proceso de obtención de furfural es el módulo de recolección o la relación sólido-líquido. En la figura 1.9 se muestra el comportamiento de esta variable (Zeitsch, 2000; Col at, 1986).. Figura 1.9 Influencia del módulo de recolección en el comportamiento de la concentración y el rendimiento de furfural para diferentes tiempos de reacción. Condiciones: H2SO4 1,5 % T=165 0C; módulo de recolección 1) 2, 2) 3, 3) 4. A nivel industrial se considera como la velocidad del vapor a través del material, por ejemplo, un módulo por hora, quiere decir, que en una hora pasa a través del reactor una cantidad de vapor igual al peso de la materia prima en el equipo. Para disminuir las pérdidas. de furfural en el proceso, como consecuencia de su. descomposición durante el tiempo de permanencia en el sistema reaccionante, es conveniente operar con el mayor módulo de recolección posible. Sin embargo, el incremento del módulo está limitado por la velocidad del vapor para la cual se rompe la estructura de las capas de material y comienza a arrastrarse las partículas junto con el vapor. Además, a mayor módulo, mayor el gasto de vapor, y menor la concentración de furfural en el condensado lo que afecta negativamente la economía del proceso (Montané, 2002; Mansillahl, 1998; Zeitsch, 2000; Morales, 2010b).. 17.

(22) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Por tanto, en la obtención de furfural se obtienen mayores rendimientos cuando se consideran temperaturas mayores que 170 0C, rangos de concentración de ácido entre 1 y 1,5 %, módulos o relación sólido líquido entre 2 y 4, considerando tiempos de reacción entre 40 y 60 min, de manera que limiten la descomposición de furfural. El objetivo del presente trabajo es lograr un fraccionamiento de los componentes del bagazo logrando un equilibrio en la hidrólisis ácida hacia la formación de azúcares y furfural, a temperaturas de 175. 0. C con mayores. posibilidades de mantener a nivel industrial. 1.1.4 Tableros de fibras de bagazo de caña. Entre sus aplicaciones, los tableros de fibras delgados, se emplean como paramentos de puertas plana, elementos de electricidad, industria del calzado, molduras, elementos curvos para mobiliario, rodapiés, traseras de muebles, paredes laterales de ataúdes, embalaje, entre otras aplicaciones. Los tableros de mayor espesor son empleados en mobiliarios de hogar y oficinas, así como, en todos los elementos decorativos y de carpintería de interior como en el caso de tableros de fibras resistentes a la humedad en mobiliario de cocina y baño, de aquí su gran importancia (Bermúdez, 2000; Velásquez, 2002; Gil, 1988). En el mundo se fabrican diferentes tipos de tableros donde se destacan los de fibra y partículas. Dentro de los de fibra están los: tableros no prensados (de baja densidad (0,02-0,4 kg/m3)) y los tableros prensados de alta densidad (800-1000 kg/m³) y de media densidad (600-900 kg/m³) (Bermúdez, 2000; Gil, 1988). Las tecnologías de producción de tableros de fibras son: tecnología por vía seca y tecnología por vía húmeda. Tecnología por vía seca. En esta tecnología se elaboran las fibras de madera o bagazo a partir de trozos de estos materiales; se añade parafina y posteriormente, se seca directamente en un secadero con una corriente de aire caliente. Tecnología por vía húmeda. Las fibras se mezclan con agua hasta crear una masa, con adición de parafina y látex. La masa se coloca sobre la máquina formadora generando un manto húmedo donde se elaboran los tableros. En esta máquina se elimina aproximadamente el 50 % del agua a través de aspiradores al vacio y cilindros prensadores, se secan en un túnel de secado hasta un 6% de humedad aproximadamente. Finalmente se recortan y se almacenan. Los restos del producto 18.

(23) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. se reciclan al proceso de producción (Gil, 1988; Backlund, 1993; Velásquez, 2002; Morales, 2010c). Durante el prensado del tablero se producen cambios físicos y químicos, originados por tres factores fundamentales: humedad, temperatura y presión. La madera, así como el bagazo, tiene como componentes fundamentales, la celulosa, la lignina y la hemicelulosa. De estos tres componentes, en el prensado tiene mayor importancia la hemicelulosa, la cual decide la resistencia del tablero. La hemicelulosa se descompone, primeramente, durante la hidrólisis de la materia prima proceso que ocurre en el desfibrador descomponiéndose alrededor del 10 % y durante la hidrólisis en el prensado, influenciada fundamentalmente por la humedad (6±2 %), la temperatura (180-200 oC), la presión específica (50-55 kg/cm2) y el pH de (3.5-4.5). La hidrólisis es proporcional a la humedad; cuando la humedad es menor, el colchón no se comprime totalmente debido a la plasticidad de la fibra con baja humedad por lo que afecta la resistencia del tablero. La humedad óptima para la entrada a la prensa debe ser de 60 % (Gil, 1988; Lundgren, 1999). La lignina es un polímero natural, amorfo, constituido por repeticiones de unidades de fenilpropano y sirve como adhesivo natural para aglutinar las fibras (Matte, 1988; Velásquez, 2002). Durante el tratamiento térmico en la prensa, la lignina termina de polimerizar las cadenas formadas entre los componentes de las fibras. Esta operación influye en la flexión, absorción y dilatación del tablero (Lundgren, 1999; Carvajal, 1987). La presión es imprescindible para obtener buena calidad del tablero, su aplicación varía durante el ciclo de prensado. El ciclo de prensado tiene tres fases fundamentales: exprimido, secado y templado. Para el exprimido, se eleva la presión hasta 50 kg/cm2 y se mantiene durante un tiempo de retención. El secado continuo varía en función del espesor, grado de molida, humedad, temperatura y estado de las mallas en la prensa. El templado o tratamiento térmico se realiza a menor presión entre 20-30 kg/cm2 (Matte, 1988; Velásquez, 2002; Morales, 2010c). Los tiempos del ciclo de prensado son: Cierre: 40-45 s, Tiempo de retención: 10-25 s, Exprimido: 15 s, Secado: 190-210 s y Templado: 90 s. El tiempo es el que enlaza los parámetros anteriores (humedad, temperatura y presión). El tiempo es directamente proporcional a las propiedades del tablero como densidad, resistencia 19.

(24) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. a la flexión y tracción; además disminuye la dilatación y la absorción (Gil, 1988; Lundgren, 1999). El impacto ambiental causado por este sector es considerable, especialmente durante la producción de tablero de fibra por vía húmeda ya que este proceso genera un volumen importante de aguas residuales, principalmente durante la formación del colchón y el prensado del tablero (Fernández, 1994). Estas aguas residuales de la industria de tableros, se caracterizan por tener una elevada demanda química de oxígeno (DQO), en el orden de 30-40 g/L y sólidos solubles totales en el orden de 1-4 g/L, resultante de la disolución de compuestos orgánicos solubles (celulósicos, hemicelulósicos y aromáticos de estructura compleja) durante las etapas del proceso a elevadas temperaturas del proceso de producción (Anexo 2). La tendencia en los últimos años es la reutilización de estas aguas para reducir el consumo de agua fresca y el volumen de aguas residuales (Fernández, 1994; Fernández, 2001). La tecnología instalada en el caso de estudio es húmedo-seca con secadero continuo y prensa de vapor discontinua, con elevados consumos energéticos y materiales, sobre todo de agua sin reutilización. Por lo que resulta interesante un análisis detallado de adaptación a la tecnología húmeda con la utilización de la prensa de vapor discontinua a partir de la reconversión en la planta, con nuevas capacidades de producción manteniendo los índices de calidad de los tableros, así como proponer la integración material, de manera que se logre una reducción del consumo de agua y de residuales en el proceso. 1.2. Reconversión en la industria de procesos. Una modernización, reordenamiento o reconversión en una instalación industrial debe concentrarse en tres objetivos esenciales para las inversiones en un país en desarrollo: (González, 1993; Morales, 2008)  Incrementar la capacidad de la planta, manteniendo una calidad del producto y una disminución de los consumos, especialmente los importados.  Una disminución del tiempo de retorno de la inversión destinada a la modernización de las plantas.  Un incremento de la disponibilidad de la instalación.. 20.

(25) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. En la industria de procesos a nivel internacional se acometen métodos y/o prácticas de trabajo constantes que favorecen la modernización y/o reconversión de la misma, como son: (Freund, 2008; Charpentier, 1988; Fleshman, 2000; Kister, 2007; Spekujljak, 1998) 1. Eliminación de cuellos de botella operativos en plantas de proceso. 2. Remodelación de un equipo o instalación, por cambio parcial de componentes. Por lo general, es requerido cuando se deben eliminar cuellos de botella, aumentar capacidad y/o mejorar especificaciones de productos. 3. Estudio y solución de problemas operativos en equipos e instalaciones de proceso. Por lo general, la realización de estas tareas es a cargo de empresas especialistas en el tema. Una característica importante de estas actividades es que tienen integración horizontal en las distintas disciplinas que intervienen. Deben concurrir conocimientos tan diversos como de los especialistas en equipos, en control de procesos, químicos, metalúrgicos y de materiales, ingeniería de planta, entre otros. La integración vertical es importante también ya que deben contribuir los supervisores, operadores de planta y personal de mantenimiento que siempre aportan inevitablemente elementos de importancia en estos casos (Spekujljak, 1998; González, 2008). Por otro lado, la liberalización del mercado de la industria de procesos y la energía está transformando profundamente la explotación, el mantenimiento y la sustitución de los equipos (Murillo, 2001). Actualmente se puede constatar la existencia de tres tendencias principales en la gestión de la vida útil de los equipos: (Fantana, 2000; Petterson, 1998) 1. Prolongación de la vida operativa de los equipos. 2. Tolerancia para que los equipos puedan funcionar más cerca de sus límites. 3. Estrategias de tipo costo-eficiencia y de tipo adaptativo para la sustitución y el mantenimiento de los equipos. El empleo de poco personal y la subestimación de los esfuerzos de mantenimiento, la reducción de los trabajos de reparación y el retraso a la hora de decidir la sustitución pueden dar lugar a que los equipos fallen y se produzcan paradas, imprevistas y costosas, de los sistemas. Esta estrategia puede tener consecuencias. 21.

(26) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. graves en aquellos países con un parque de equipos anticuados, una buena parte de los cuales se acerca ya al final de su vida útil prevista (Fantana, 2000). Resulta necesario adoptar una nueva estrategia de sustitución, renovación y reconversión de los equipos instalados de manera que se puedan aprovechar para las producciones bajo las cuales fueron diseñados o nuevas que puedan ser adaptados. Esta nueva estrategia deberá permitir identificar los cambios o modificaciones que serán necesarios para su reconversión, los equipos más vulnerables y por tanto más críticos, a los cuales se prestará atención prioritaria en función de la fiabilidad y disponibilidad de los mismos. 1.2.1 Criterios a considerar hacia una gestión en la vida útil de los equipos. La gestión de la vida útil de los equipos conlleva una cadena de decisiones que se toman durante el funcionamiento de los equipos para conseguir que el sistema funcione de forma segura, fiable y económica (Yañez, 2004; Fantana, 2000). La confiabilidad basada en la estadística de fallas tiene dos grandes áreas de estudio; una que se enfoca en equipos no reparables y otra para equipos reparables (Kovack, 1987; Goel, 2002, Yañez, 2002). Los equipos no reparables tienen las siguientes características fundamentales: . Su condición operativa no puede ser restaurada después de una falla.. . Su vida termina con una única falla y debe ser remplazado.. . La variable aleatoria de interés es el tiempo para la falla.. . Para caracterizarlo probabilísticamente se requiere estimar la tasa de fallas.. Por su parte, un equipo reparable es aquel cuya condición operativa puede ser restaurada después de una falla, por una acción de reparación diferente al reemplazo total del mismo; tiene las características fundamentales:(Yañez, 2004) . Su condición operativa puede restaurarse después de fallar, con una reparación.. . En su vida puede ocurrir más de una falla.. . La variable aleatoria de interés es el número de fallas en un periodo específico de tiempo.. . Para caracterizarlo probabilísticamente se requiere estimar la tasa de ocurrencia de fallas y la tasa de reparación.. 22.

(27) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. En la figura 1.10 se resume de manera esquemática la interrelación de criterios a considerar en la gestión de la vida útil de los equipos (Kovack, 1987; Goel, 2002; Yañez, 2004).. Costo durante la vida útil. Operación y mantenimiento. EQUIPO. Aspectos Técnicos (Mecánicos, térmicos, eléctricos, sistemas auxiliares, etc.). Decisiones de la gestión de la vida útil. Disponibilidad Aspectos no Técnicos (Economía, estrategias, medio ambiente). Figura 1.10 Criterios influyentes en la gestión de la vida útil de los equipos. La gestión de la vida útil de los equipos debe afrontar tres tareas importantes como se muestran a continuación, lo cual repercute en los trabajos de sustitución y reparación de los equipos, necesarios para asegurar una alta disponibilidad (Petterson, 1998; Rosa, 1996). -Detección de fallos Gestión de la vida útil. -Identificación del mal funcionamiento -Planificación estratégica (eficiencia operacional y mantenimiento). Las técnicas básicas para realizar estas tareas son, la supervisión de equipos, el diagnóstico y la evaluación basada en el estado y la vida útil. Cuando se utiliza un sistema de evaluación deben tenerse en cuenta cuestiones importantes como: (Fantana, 2000; González, 2008; Yañez, 2004) 1. ¿Qué es lo que se va a evaluar? 2. ¿Qué procedimiento o método se va a seguir? 3. ¿Cuáles son las herramientas necesarias para las diferentes tipos de variables? 4. ¿Qué medidas se habrán de tomar y en qué orden? 5. ¿Es posible seguir utilizando con seguridad un equipo dado? 6. ¿Es necesario reformarlo o sustituirlo? Para realizar la evaluación de un equipo a partir del estado y de los riesgos es necesario conocer el diseño y funcionamiento del equipo, así como la degradación y fallos que se hayan podido producir en él. Es necesario estudiar la unidad y sus subsistemas, las características de los materiales, los factores operativos y los modos de fallo. Es necesario, definir los riesgos y establecer los esfuerzos que 23.

(28) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. pueden afectar a la funcionalidad o idoneidad del equipo. Es preciso determinar los criterios de evaluación más importantes y desarrollar los procedimientos para aplicar cada uno de ellos. También será necesario disponer de información de carácter técnico y no técnico (Petterson, 1998; Rosa, 1996; Kovack, 1987). 1.2.2 Análisis de la fiabilidad de los equipos para la reconversión. La fiabilidad es la probabilidad de que un dispositivo realice adecuadamente su función prevista a lo largo del tiempo, cuando opera en el entorno para el que ha sido diseñado (Todinov, 2005; Abaurrea, 2004). Varios autores, (Himmenblau, 1978; Yañez, 2004; Rosa, 1996; Todinov, 2005) explican lo difícil de estimar la fiabilidad a partir de los datos promedios históricos, debido a que la razón de fallo y el fallo en sí, dependen mucho de las condiciones de operación, particularmente la temperatura, presión, composición y las propiedades del fluido. No obstante, en la etapa de diseño y evaluación del estado de los equipos se pueden considerar valores históricos de plantas con características similares de operación. La función de fiabilidad es R (t) = P (T>t) siendo P, probabilidad, T, tiempo para la falla y t tiempo medio; es una función que no incrementa, siempre la unidad inicia la vida de dicha función (R (0)=1; R (∞) =0); R(t) = 1 – F(t). Fiabilidad = 1 - Probabilidad de fallo. Para confeccionar el diagrama de fiabilidad es necesario conocer los diferentes esquemas que se pueden presentar, Ps, es la fiabilidad del sistema y pn,m la fiabilidad de cada equipo del sistema: (Todinov, 2005; Campbell ,1999; Nachlas, 1995) 1. Conexión en serie: 1. 2. n. Ps=p1*p2*p3…..pn=  i 1 ( pi ) n. (1.1). 2. Conexión en paralelo:. 24.

(29) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. 1 2 m Si las fiabilidades de las partes individuales son iguales a p1, p2, p3, pm las no fiabilidades serán igual a q1=1-p1, q2=1-p2, q3=1-p3, qm=1-pm, quedando la falta de fiabilidad resultante como: qs=q1*q2*q3*….qm=  mj1q j   mj1 (1  p j ). (1.2). Ps=1-  m j 1 (1  p j ). (1.3). Para sistemas de igual fiabilidad se tiene:. . Ps= 1  1  p m. . (1.4). Existen varias formas de incrementar el nivel de fiabilidad de una planta química y por tanto su disponibilidad: a) Diseño apropiado del proceso. b) Correcta operación con sistemas de control. c) Asignando redundancias al sistema. d) Planificando adecuadamente el mantenimiento. Los dos primeros aspectos son fundamentales tratarlos en equipos que por sus características de diseño o de costo no se pueden redundar. Mientras que para el caso de equipos con menores costos de operación y adquisición, se utilizan las dos últimas alternativas expuestas, para aumentar la fiabilidad. Teniendo en cuenta esto existen tres problemas típicos de operación de la fiabilidad: 1. Asignación óptima de redundancias. El problema es encontrar las redundancias óptimas para cada módulo, así como maximizar la fiabilidad del sistema sujeto a restricciones lineales a no lineales de costos. 2. Asignación óptima de fiabilidad a las unidades o intervalo óptimo de mantenimiento de redundancias. 3. Problema de optimización multiobjetivo. Uno de los métodos más usados para aumentar la fiabilidad es la redundancia en paralelo, es decir, donde sólo debe operar una unidad, colocar varias que reduzcan. 25.

(30) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. el fallo. Otra forma de aumentar la fiabilidad del sistema es a través de esquemas con almacenamientos intermedios. En este caso, el flujo puede dividirse en dos subsistemas, productores y consumidores divididos por el almacén. El almacén sirve de redundancia para la compensación de fallos de productores y consumidores (Shooman, 1967; Rosa, 1996; Catá, 2006; Todinov, 2005). La depreciación de los equipos es un elemento del costo de producción cuyas causas fundamentales son la obsolescencia física y moral de los equipos que componen la planta, así como la de la planta en su conjunto. En la medida que el tiempo transcurre, el equipo de la planta envejece, se produce en general un desgaste que redunda normalmente en la pérdida de la eficiencia, llegando un momento en que es necesario efectuar sustituciones; este proceso recibe el nombre de obsolescencia física. Todo este proceso determina un envejecimiento relativo de los procesos existentes que se hacen ineficientes con el tiempo, en relación con los nuevos procesos. Este envejecimiento recibe el nombre de obsolescencia moral. La obsolescencia moral y física van acompañada de una pérdida del valor económico de la planta; esta pérdida se contabiliza como parte del costo de producción y constituye la depreciación. Para estimar la depreciación se emplea generalmente la siguiente expresión: D = (Vo − Vf)/td. (1.5). D: depreciación anual en pesos/año, td: vida útil de la planta, Vo: valor inicial, Vf: valor al término de la vida útil. El mantenimiento también representa un costo de producción de importancia y un incremento en el capital de trabajo por los inventarios que requiere. Todo incremento de confiabilidad y disponibilidad de la instalación con disminución de riesgos y de fallas que ocasionan paradas, conlleva a mayores inversiones fijas porque implica recomendaciones de aumento en el número de equipos o redundancias o ampliaciones en instalaciones auxiliares, cuando no en la elección de equipos más costosos, en cuanto a montos de inversión original se trata (Peters & Timmerhauss, 2004; Rosa, 1996; Catá, 2006).. 26.

(31) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. 1.2.3 Importancia de la simulación de procesos para los estudios de reconversión en la industria. La simulación es una herramienta básica en la ingeniería de procesos, la cual permite interpretar los flujos, localizar los problemas de funcionamiento y predecir comportamientos. El centro del análisis es el modelo matemático, partiendo de la selección de las ecuaciones que relacionan las variables del proceso tales como la temperatura, presión, flujos y composiciones, área superficial, configuraciones geométricas entre otras condiciones (Smith, 2005; Ogawa, 2007; Seider, 2003). La figura 1.11 muestra de manera general la clasificación y las aplicaciones de la simulación de procesos (Seider, 2003; Ramzan, 2009).. Figura 1.11 Aplicaciones fundamentales de la simulación de procesos. Un modelo se puede definir como una representación simplificada de un sistema real, un proceso o una teoría, con el que se pretende aumentar su composición, hacer predicciones y ayudar a controlar el sistema de equipos. Los bancos de datos contienen información acerca de constantes y propiedades termofísicas y de transporte para muchas sustancias, equipos, medidas de beneficio, costo de operación y capital (Dimian, 2003; Seider, 2003; Ramzan, 2009). La mayoría de los procesos involucran equipos convencionales como son, intercambiadores de calor, bombas, columnas de destilación, absorbedores, entre otros. Para estas unidades, las ecuaciones no difieren entre los procesos químicos. Las propiedades físicas y termodinámicas y las constantes cinéticas químicas difieren, pero no las ecuaciones (Smith, 2005; Ogawa, 2007). Los simuladores en estado estacionario, dinámico y batch son usados comúnmente y se han extendido en la práctica industrial. A continuación se enuncian los más utilizados en la industria: Aspen Plus, HYSYS, CHEMCAD, DINAPLUS, Batch Puls y SUPERPRO DESIGNER (Chemcad, 2002; Aspen, 2001; Hysys, 2003). 27.

(32) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Estos permiten acceder a muchas propiedades físicas, equipos, modelos de dimensionamiento y operación y bases de datos de costos. Por su gran aplicación y fiabilidad muchas veces estos simuladores sustituyen experimentos a escala piloto jugando un rol complementario ahorrando recursos y tiempo (Aspentech, 2004; Seider, 2003; Smith, 2005; Ogawa K, 2007; Ishii, 1997). La simulación de la produccion de etanol de materiales celulósicos difiere de la simulación de los procesos químicos convencionales ya que analiza sólidos complejos y materiales heterogéneos. La mayoría de los simuladores modulares secuenciales no son capaces de manejar los componentes de la biomasa, los cuales no pueden ser caracterizados por métodos convencionales y propiedades termodinámicas estándares (Galbe, 1994; Petrides, 2010). El Aspen Plus es capaz de simular procesos con materiales sólidos no convencionales. El usuario puede definir componentes en fase de equilibrio vaporlíquido y componentes sólidos, los cuales son inertes con respecto a la fase de equilibrio (Wooley, 1996; Aspen, 2001; AspenTech, 2004; Galbe, 1994; Mannina, 2011; Mulia-Soto, 2011). La simulación de los procesos de la biomasa objeto de estudio en el trabajo permitirá conocer y valorar el comportamiento de las variables y los parámetros operacionales a partir de las propuestas de reconversión, la cuantificación de los balances de masa y energía, la sensibilidad de las variables, así como, ahorro de experimentos a nivel de laboratorio y a escala piloto. 1.2.4 Herramientas fundamentales para la integración de procesos. La integración de procesos es una tecnología sistemática, basada en el enfoque hacia el desarrollo de los procesos que permite al ingeniero ver un gran escenario primero y los detalles después. Permite identificar los objetivos globales de eficiencia antes de cualquier actividad de desarrollo y encontrar la estrategia óptima para llevarlo a cabo. Estos objetivos pueden ser por ejemplo: minimización de requerimientos. energéticos,. minimización. de. generación. de. residuales,. maximización de la eficiencia del proceso, entre otros (Dunn, 2000; El-Halwagi, 2000).. 28.

(33) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Algunas de las técnicas de integración de procesos que han sido implementadas para llevar a cabo tareas de minimización de la contaminación son: (El-Halwagi, 2000; Dunn, 1997; Dunn, 2001; González, 2006; Espinosa, 2001) - Diagrama fuente /sumidero: herramienta gráfica de fácil aplicación, que permite determinar las oportunidades de reciclo mezclado e intersección dentro de un proceso determinado. Unida a ella debe desarrollarse el diagrama de ruta del elemento de análisis, con lo cual se podrá valorar la influencia del reciclo y mezclado de las corrientes en el proceso. - Redes de intercambio de masa (MEN). Este procedimiento, cuya aplicación se ha extendido a la prevención de la contaminación, es una extensión del análisis Pinch y las redes de intercambio de energía en transferencia de calor. La tarea de la MEN es determinar el tipo, número, tamaño y unidades de interconexión que optimicen la transferencia de masa. - Redes de reacción (RN) Permiten identificar la factibilidad en un proceso de sustituir los productos usados por productos químicos menos agresivos al medio; permiten identificar tecnologías más limpias y evaluar la posibilidad de introducirla en un proceso existente. - Redes de intercambio de energía (HEN). Permiten identificar las posibilidades de intercambio de energía entre los flujos con el objetivo de lograr una mejor distribución de este recurso en las corrientes y reutilizarlo en el proceso. Permiten identificar el número mínimo de unidades de intercambio de calor para lograr el objetivo planteado. Por lo general todas las herramientas que se utilizan para la prevención de la contaminación incluyen segregación, mezcla y reciclo de flujos, intersección con equipos de separación, cambios en las condiciones de diseño y operación de los equipos, sustitución de materiales, así como cambios en la tecnología. De acuerdo a los cambios que comprenden las mismas han sido clasificadas y ordenadas en cuatro categorías (Noureldin M., 1999; Smith, 2005; Dunn, 2000): 1. Herramientas que implican cambios de bajo/ ningún costo. (Diagrama fuentesumidero). 2. Herramientas que implican cambios con nuevos equipos. (MEN, HEN, etc). 3. Herramientas que implican cambios con nuevos productos químicos (RN). 4. Herramientas que implican cambios de tecnología. 29.

(34) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Atendiendo a las necesidades del caso de estudio, en el trabajo se considerará la utilización de mezclas de residuales (sólidos y líquidos) de una producción en otra a partir de la reconversión de una tecnología aprovechando los equipos instalados. También se analizará la herramienta de integración que implica cambios de bajo costo, como es el diagrama fuente sumidero en la planta de tableros con el objetivo de reducir los vertimientos al medio ambiente y reutilizar el agua en el flujo de producción. 1.3 Estrategias planteadas hacia la reconversión en la industria. Según (Rudd, 1980, Smith, 2005, Ogawa, 2007), los principios metodológicos para la consideración en el diseño de nuevas instalaciones se pueden resumir en cuatro direcciones fundamentales: los cambios en la relación capacidad de producción instalada y demanda de productos, el entorno, tanto económico como ambiental, los parámetros tecnológicos y la disponibilidad de los equipos. La consideración de estos aspectos ha sido abordada por diferentes autores, destacándose: los resultados en el análisis de ampliación y reconstrucción de fábricas de papel combinado, considerando los aspectos concernientes a la incertidumbre (Gallardo, 1990); la sistematización de los procedimientos para desarrollar instalaciones de la industria de procesos químicos partiendo de los estudios de laboratorio (Villanueva, 1991; León, 1999); la consideración de la incertidumbre tecnológica en los diseños de los sistemas de control de equipos de la industria de procesos químicos (Peralta, 1993), así como, los incluidos para la ejecución de los estudios de alternativas de desarrollo y perfeccionamiento de la industria azucarera mediante el incremento de la producción de etanol (González, 1995). En cuanto al desarrollo de procesos, se ha trabajado en, formulaciones de mezclas de materias primas y condiciones de operación tecnológica en la producción de cerámica técnica (Garcés, 1996), en la extracción de alcoholes de alto peso molecular a partir de la cachaza y sus derivados (Vera, 2000), estrategia investigativa para la tecnología de obtención de etanol y coproductos considerando la vigilancia tecnológica de los procesos (Mesa, 2010) lo cual han permitido optimizar esquemas y alternativas en la conducción de los procesos industriales hacia la obtención de productos de alto valor agregado. 30.

(35) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LA BIBLIOGRAFÍA. Se han abordado aspectos, utilizando modelos tecnológicos de etapas existentes para la determinación matemática de capacidades óptimas de ampliación o creación de nuevas instalaciones, a partir del incremento de capacidades industriales de producciones existentes (Santos, 1997); así como una visión novedosa de la consideración de la incertidumbre financiera combinando los estudios de demanda de los productos, con los de disponibilidad de las materias primas (Oquendo, 2002) y a la incertidumbre en los balances de masa y energía en una fábrica de azúcar, analizando el impacto de esta consideración en el proceso previo inversionista (Nápoles, 2004). La disponibilidad de los equipos ha sido tratada hacia la optimización de la disponibilidad y los valores inversionistas de los sistemas tecnológicos de la industria de procesos químicos, mediante la consideración de la incertidumbre en la fiabilidad de los equipos en la etapa del diseño de las instalaciones de la industria química (Rosa, 1996). También (Pedraza, 1997) planteó aportes metodológicos para la consideración y tratamiento de la incertidumbre, en los datos de diseño de equipos de la industria de procesos químicos. Más reciente, se han desarrollado estrategias metodológicas que analizan los aspectos vinculados con la reconversión e integración de procesos como: la planteada por (Catá, 2006) la cual considera la incertidumbre en los balances de masa y energía en un complejo integrado, la integración de los procesos y la fiabilidad de los equipos del sistema, sin considerar la incorporación de nuevas producciones y el impacto en el proceso integrado. (Ley, 2006) aporta contribuciones metodológicas y criterios para la asimilación y transferencia de tecnologías con vistas a la producción de biocombustibles, partiendo de la vigilancia tecnológica y de estudios previo inversionistas, pero no considera la adaptación de las tecnologías en plantas instaladas con el objetivo de minimizar costos inversionistas. (González, 2008a) plantea una metodología que permite lograr una estabilización de la producción y considera la reconversión e inversión para una misma producción, sin embargo no valora el desarrollo diversificado de nuevas producciones a partir de las capacidades e instalaciones existentes. Además, se ha trabajado en el desarrollo de una estrategia para las modificaciones de las facilidades auxiliares y la rehabilitación continua de industrias de procesos en. 31.