Capítulo 4. Balances de masa generales en la planta de bioetanol
4.6. Balance global de Masa
Debido a la falta de información en bibliografía respecto a la composición del mosto a la salida del primer destilador, se realiza una primera aproximación, para poder resolver los balances de masa. La misma consiste en estimar el caudal del sistema de reactores de SSF respecto a la cinética del capítulo 2 adaptada a un sistema de reactores tipo TAC, empleando como valores semilla las concentraciones originales del paper1. Dicha estimación se somete a un sistema iterativo, hasta que el resultado obtenido de concentraciones de producto al final del sistema de destilaciones, -empleando la herramienta Unisim para simular el sistema a emplear- al ser contrastado con las condiciones deseadas (las cuales son cantidad y concentraciones de producto principal que se desea obtener) sea corroborado. Logrado dicho objetivo, se establecen estos parámetros como la
condiciones de trabajo para el proyecto.
4.6.1. Resultados cinéticos
Se estima un caudal Q de ingreso al reactor = 260 m3/hr, empleando como concentraciones iniciales valores del paper1 mencionado con anterioridad:
- Concentración inicial etanol = 0 kg/m3
- Concentración inicial almidón = 202,34 kg/m3 - Concentración inicial glucosa = 23,03 kg/m3 - Concentración inicial levadura = 0,5 kg/m3
Mediante la cinética, adaptada para reactores tipo TAC, la cual se presenta en el capítulo siguiente, se halla que:
- Concentración de salida etanol = 86,805 kg/m3 - Concentración de salida almidón = 32,664 kg/m3 - Concentración de salida glucosa = 5,84 kg/m3 - Concentración de salida levadura = 19,45 kg/m3
Con dichas condiciones se pueden encontrar los flujos que ingresan al sistema de destilación, multiplicando las concentraciones por el caudal volumétrico estimado:
- Caudal másico etanol = 22.569,3 kg/hr - Caudal másico almidón = 8.492,64 kg/hr - Caudal másico glucosa = 1.518,4 kg/hr - Caudal másico levadura = 5.057 kg/hr
Conociendo las densidades de los compuestos que integran el caudal, se puede hallar el caudal de agua a la salida del reactor, como:
Caudal másico de Agua=ρAgua∗(QReal−ΣCaudal másicoi
ρi )
Donde las densidad empleadas son:
- ρEtanol4= 789 kg/m3 - ρAlmidon5 = 1.500 kg/m3
- ρGlucosa6= 1540 kg/m3 - ρLevadura= 1000 kg/m3
La densidad de las levaduras se estimó similar a la densidad del agua al no disponer de datos bibliográficos.
Entonces:
- Caudal másico de agua = 219.690,323 kg/hr
Dichos datos se emplean en la simulación con la herramienta Unisim, para el sistema de destilación propuesto, cuya estructura preliminar se presenta a continuación:
Figura 4.3 Sistema de simulación. soporte UNISIM.
Con este sistema se halla:
● Mosto:
Caudal total = 225.292,4 kg/hr
Caudal etanol en mosto = 144,7 kg/hr Caudal agua en mosto = 210.079,6 kg/hr Caudal glucosa en mosto = 1.518,4 kg/hr Caudal levaduras en mosto = 5057 kg/hr Caudal almidón en mosto = 8.492,6 kg/hr
● Agua de desperdicio en la tercer torre:
Caudal total = 9.316,9 kg/hr
● Producto:
Caudal total = 22.720,0 kg/hr
Caudal etanol en producto = 22425 kg/hr Caudal agua en producto = 295 kg/hr
Como el caudal de producto calculado cumple los requerimientos impuestos por el proyecto en cuanto a caudal y concentración (98,7% peso en peso), se comprueba que la estimación inicial en el modelo cinético es correcto.
Haciendo una comparación de los valores entre las entradas y las salidas al destilador, se halla el error cometido en los balances:
Σ Entrada=Qalmidon+Qglucosa+Qetanol+Qlevadura+Qagua Σ Salida=Qaguadetercer torre+Qproducto+Qmosto Error=Σ Entrada−Σ Salida=−1,708kg/hr
%Error= Error
Entrada∗100 %=0,000667 %
Al emplear como soporte para resolver los balances dos herramientas matemáticas diferentes, puede asociarse el error al pasaje de valores con decimales truncados entre uno y otro.
4.6.2. Balance de materia en el reactor
Establecidos los parámetros de operación de los reactores, se pueden encontrar las cantidades necesarias de materia prima para el proyecto, a partir de los requisitos de agua y almidón en la SSF.
Se halla mediante bibliografía7,8 que el contenido promedio de almidón y glucosa en el maíz corresponden al 71,3% (calculado a partir del porcentaje que representa el almidón en la porción seca del grano) del peso total del grano en masa, por lo que:
Masa de maíz útil requerido=Masa almidón+Masa Glucosa
0,713 = 82.189,525 kg/hr
A partir de la masa de maíz tratada puede hallarse diversos parámetros7,8, al conocer la composición del maíz promedio:
- Humedad del maíz = 14%
- Germen de maíz = 9,55%
- Fibra de maíz = 4,56%
- Nutrientes no solubles = 0,6%
- Almidón/Glucosa de maíz = 71,3%
Por lo que, las masas de cada componente es:
- Humedad del maíz = 11.506,5 kg/hr - Germen de maíz = 7.845,8 kg/hr - Fibra de maíz = 3.746,1 kg/hr
- Nutrientes no solubles = 494,7 kg/hr
- Almidón/Glucosa de maíz = 58.596,2 kg/hr
Se plantea la compra del insumo sin tratar, por lo que se debe calcular la masa real del producto crudo, en nuestro caso es el maíz sin desgranar.
En promedio, un grano de maíz pesa9 0,337 gr/grano, siendo solo el 93%10 +/-1% del total de granos un grano útil, teniendo un 7% de los granos denominado grano partido, el cual no es útil al proceso de fermentado, debido a su bajo contenido de almidón, pero se emplea como subproducto, en este caso, alimento de ganado. Con dichos datos se halla que:
Masa de grano total=Masa de grano útil
0,93 =82.189,525kg/hr
0,93 = 88.375,8 kg/hr Total de granos=Masa de grano total
0,337 gr grano
= 88.375,8kg/hr 0,000337 kg
grano
= 2,622*108 granos/hr
Además, una mazorca en promedio contiene un total de 506 granos11, donde
cada mazorca pesa 200 gramos/mazorca12.
Masa de Mazorcas=Total de Granos 506 granos
mazorca
∗0,2 kg
mazorca= 103.653,2 kg/hr
Al conocer la masa de grano y la masa de mazorca, se puede hallar la masa de cañote de maíz, el cual funciona como combustible para diversos procesos:
Masa cañote=Masade Mazorcas−Masade granostotal= 15.277,459 kg/hr
4.6.3. Requerimiento de agua
Se debe verificar si el caudal de agua que entra al reactor se satisface con la entrada de agua propia del maíz:
Aguarequerida del proceso=Caudal másico de agua del reactor−Humedad del maíz Agua requerida del proceso = 208.183,789 kg/hr
Como puede observarse se requiere caudal de agua adicional para llevar a cabo el proceso.
4.6.4. Subproductos - Dióxido de carbono:
Se realiza el balance de masa del reactor para conocer la cantidad de dióxido de carbono que fue generado durante la fermentación:
MasaCO2=Caudales de entrada alreactor−Caudales de salida del reactor Masa de CO2 producido = 21.088,86 kg/hr
- Burlanda de maíz húmeda (DWG)
La burlanda de maíz húmeda (DWG) se calcula a partir del contenido de humedad13 propio del producto, siendo del 65% de la masa el contenido de agua y 35% los nutrientes no solubles provenientes del maíz:
Masa de maíz DWG=Masa de Nutrientesno solubles
0,35 = 1.413,66 kg/hr El contenido de etanol en DWG se asume despreciable.
Este subproducto es obtenido de la centrifuga, obteniendo otra corriente adicional, la cual contiene los destilados de maíz como sobrante del mosto:
Destilado de maíz=Mosto+Nutrientesno solubles−WDG=¿224.373,5 kg/hr Y sus fracciones correspondientes son:
- Levaduras en destilados de maíz = 2.25%
- Agua en destilado de maíz = 93,22%
- Almidón en destilados de maíz = 3,78%
- Glucosa en destilados de maíz = 0,67%
- Etanol en destilados de maíz = 0,065%
- Jarabe
El líquido obtenido de la centrífuga, denominado destilados de maíz, pasa a través de un evaporador para eliminar la humedad adicional, lo que resulta en solubles de destilería condensados (jarabe), que contienen aproximadamente 30% de materia seca14, consistiendo de una mezcla de glucosa, almidón y levaduras que han sufrido efectos térmicos, por lo que:
Materia seca en jarabe=Almidón+Glucosa+Levaduras=¿15.068 kg/hr Masa de jarabe=Masa seca en jarabe
0,30 =¿50.226,8 kg/hr
Aguaen jarabe=Masa de jarabe−Materia secaen jarabe=¿35.158,76 kg/hr Aguaa eliminar=Aguaen Destilados de maíz−Agua en jarabe=¿174.146 kg/hr
Se supone que todo el etanol sobrante se elimina de manera gaseosa en el evaporador.