Se han llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones para encontrar una técnica de separación atractiva para la extracción de ácido láctico del caldo de fermentación. Para realizar este análisis se utilizó el simulador de procesos Aspen Plus® y Matlab para la integración y análisis de los modelos de separación.
Justificación
En este sentido, la intensificación de procesos es una alternativa atractiva para incrementar la rentabilidad económica de un proceso industrial.
Hipótesis
Objetivo General
Objetivos Particulares
Estrategia de Solución del Problema de Investiga- ciónción
En la fase de simulación y análisis se consideran procesos de destilación reactiva, extracción reactiva y electrodiálisis para determinar la tecnología que incremente el potencial económico de la bioproducción de ácido láctico. Asimismo, el uso de estos índices permitió determinar el esquema de purificación que incrementa la rentabilidad de la bioproducción de ácido láctico.
Demanda Energética en el Mundo
La energía renovable creció un 17%, cifra superior a la media de los últimos 10 años y el mayor aumento jamás registrado (69 mtep), como se muestra en la Figura 2.1.2. Las energías renovables representaron casi la mitad del crecimiento de la generación eléctrica (49%), y el resto provino del carbón.
Demanda Energética en México
Por su parte, la energía hidroeléctrica aumentó sólo un 0,9%, respecto al promedio de los últimos 10 años, que fue de 2,9. Por otro lado, después de 2 años consecutivos de reducciones, la producción hidroeléctrica corrigió esta tendencia aumentando un 3,8%; lo que permitió sustituir parte de la energía eléctrica generada a partir de combustibles fósiles por energía limpia.
Motivación por el Empleo de Recursos Renovables
Las investigaciones han demostrado que el uso de carbohidratos refinados en la producción de ácido láctico aumenta considerablemente los costos de producción debido a su alto valor de mercado. Por lo tanto, ha habido muchos intentos de encontrar materias primas baratas para la producción económica de ácido láctico (Hofvendahl y Hägerdal, 2000).
Ácido Láctico
Propiedades
Ambas formas isoméricas del ácido láctico pueden polimerizarse y, dependiendo de la composición, pueden producirse polímeros con diferentes propiedades (Naitove, 1998). El comportamiento químico del ácido láctico está determinado por sus propiedades físicas y químicas, que se presentan en la tabla 3.1.1.
Demanda
Alrededor del 70% del ácido láctico producido se utiliza en la industria alimentaria debido a su papel en la producción de yogur y queso (Castillo Martínez et al., 2013). Sin embargo, existe un aumento en la demanda de ácido láctico como materia prima para la producción de biopolímero de ácido poliláctico (PLA). a) volúmenes de exportación e importación (b) importación, exportación y balanza comercial.
Aplicaciones
El ácido láctico ha recibido recientemente mucha atención como monómero materia prima para la producción de ácido poliláctico (PLA), que se considera un polímero biodegradable. La Figura 3.1.3 resume los principales usos comerciales del ácido láctico.
Materias Primas en la Produción de Ácido Láctico
Métodos de Producción de Ácido Láctico
Producción de Ácido Láctico por Síntesis Química
Sin embargo, como se mencionó, la principal desventaja de este método es la obtención de mezclas racémicas de ácido láctico D(-) y L(+) (Yin et al., 1997). Otras rutas para la síntesis de LA incluyen la descomposición catalizada de azúcares, la oxidación de propilenglicol, monóxido de carbono y agua a alta temperatura y presión, la hidrólisis del ácido cloropropiónico y la oxidación del ácido nítrico a partir del propileno (John et al., 2007). ).
Producción de Ácido Láctico por Fermentación Microbiana
El rendimiento teórico de LA por glucosa es de 1 g/g y 0,5 g/g para bacterias homofermentativas y heterofermentativas, respectivamente (Abdel-Rahman et al., 2013). Estos azúcares pueden fermentarse hasta convertirse en ácido láctico mediante cepas silvestres y endogámicas, con distintos grados de eficiencia (Abdel-Rahman et al., 2011).
Métodos de Separación y Purificación de Ácido Lác- ticotico
Destilación Reactiva
Además, otro aspecto del diseño de la destilación reactiva que difiere de la destilación convencional es el retraso. Sin embargo, los efectos sinérgicos de la reacción química simultánea hacen que la destilación reactiva sea muy compleja.
Extracción Reactiva
En general, se ha encontrado que el efecto de la temperatura sobre la extracción de ácido láctico depende del diluyente y del extractor. Se podría decir que el efecto de la temperatura en la extracción de ácido láctico con diluyentes solos es muy bajo.
Procesos con Membranas
En los procesos de transporte de intercambio iónico, la mayor parte de la separación se logra mediante manipulación de la concentración. Se puede alcanzar un punto en el que la concentración de iones en la superficie de la membrana sea cero. Por tanto, el flujo de iones a través de la membrana viene dado por la ecuación 3.4.38.
Consideraciones Generales
Selección del Modelo Termodinámico
Proceso de Bioproducción de Ácido Láctico
- Pretratamiento
- Neutralización y Producción de Nutrientes
- Hidrólisis Enzimática
- Inoculación
- Fermentación
Para la fase de hidrólisis enzimática, la corriente (306), que contiene celulosa y nutrientes para el microorganismo, se mezcla con una corriente de enzimas diluidas (307) y luego se lleva a cabo el tratamiento enzimático a través de una serie de reactores (R-301). 305). La fase líquida de la corriente (420) se envía a la fase de fermentación, mientras que la fase sólida (323) se puede utilizar en un proceso de combustión para generación de energía. La corriente (420) rica en azúcares fermentables: glucosa y xilosa se alimenta a los fermentadores (R-501-R-506) para realizar la conversión de glucosa y xilosa en ácido láctico en condiciones suaves de temperatura y presión (30 ºC y 1 atm) donde tiene lugar la conversión de glucosa en ácido láctico.
Separación y Purificación
Destilación Reactiva
Los flujos de entrada y salida de la columna ahora aparecen en la pestaña. La reacción de esterificación aplicada a la columna de destilación se muestra en la Ecuación 4.4.1. Dicha metodología de diseño para la columna de destilación reactiva se muestra en la Figura 4.4.5.
Extracción Reactiva
Cabe señalar que la composición del ácido láctico en el refinado, en el extracto y en el pienso se puede conocer de antemano. Los parámetros reales utilizados por el modelo son la fracción de masa de ácido láctico y agua en la corriente de refinado. La Figura 4.4.9 muestra cómo se utilizó el módulo Usuario2 para representar el modelo de extracción reactiva.
Electrodiálisis
Ccwa: Concentración de lactato de sodio en la pared de la membrana aniónica en el compartimiento del concentrado (g/L). Ccwc: Concentración de lactato de sodio en la pared de la membrana catiónica en el compartimento del concentrado (g/L). Cdwa: Concentración de lactato de sodio en la pared de la membrana aniónica en el compartimento diluido (g/L).
Destilación Reactiva
Columna Preconcentradora
El diseño adoptado por esta columna garantiza que la corriente que sale del domo de la columna contenga una pureza de 99,5. En la Tabla 5.1.1 s se presentan las características de la columna de preconcentración utilizada para la concentración de ácido láctico, que permiten obtener la pureza deseada de los productos. En cuanto al efecto de la etapa de alimentación, la Figura 5.1.3 muestra que para todos los diseños, cuando se alimenta en la etapa número 3, el TAC de la columna aumenta significativamente.
Columna de Esterificación
La Figura 5.1.7 muestra el análisis de sensibilidad cuando la columna de esterificación tiene 17 pasos en total. La Figura 5.1.8 muestra el análisis de sensibilidad cuando la columna de esterificación tiene 18 etapas en total. La Figura 5.1.9 muestra el análisis de sensibilidad cuando la columna de esterificación tiene 19 etapas en total.
Columna de Hidrólisis
La Figura 5.1.17 muestra el perfil de la reacción de hidrólisis en la columna. La Figura 5.1.21 muestra el análisis de sensibilidad cuando la columna de hidrólisis tiene un total de 34 etapas. La Figura 5.1.22 muestra el análisis de sensibilidad cuando la columna de hidrólisis tiene un total de 36 etapas.
Columna Recuperadora
El diseño de la columna de recuperación presentada anteriormente en la Tabla 5.1.4 se logró mediante el análisis de sensibilidad presentado en la sección de métodos (ver Sección 4.4.1.1). Como muestra el análisis de sensibilidad, el TAC disminuye al aumentar el número total de etapas y al alimentar la mezcla entre las etapas 5 y 6 en la columna. Por lo tanto, el diseño que logra el menor TAC tiene 14 etapas y la columna es alimentada por la etapa 6.
Extracción Reactiva
Sin embargo, la predicción de las fases en la columna de extracción se puede mejorar si los parámetros de interacción binaria determinados experimentalmente están disponibles para el modelo NRTL. La Tabla 5.2.2 muestra las principales características de la columna de destilación para recuperación del disolvente y purificación de ácido láctico. La Figura 5.2.2 muestra el perfil de composiciones en la fase líquida de la columna de destilación, donde se puede observar que el ácido láctico se obtiene a través del domo de la columna con una pureza del 88% en peso.
Electrodiálisis
Condiciones de Operación
La Figura 5.3.4 muestra la variación de la conductividad equivalente (S·m2/mol) dentro del espacio diluido y concentrado. Por el contrario, la conductividad equivalente es mayor en el espacio del concentrado porque la concentración de iones en esta solución es muy alta, lo que facilita el transporte de corriente a través de los iones. Tal comportamiento de la conductividad equivalente en el proceso de electrodiálisis verifica que el compartimiento concentrado exhibe una alta concentración de la solución de lactato de sodio y el compartimiento diluido exhibe una baja concentración.
Consumo de energía
Evaluación económica
Destilación Reactiva
Por otro lado, en la Tabla 5.4.1 se presenta el análisis económico del paso de purificación del ácido láctico de la destilación reactiva. En la Tabla 5.4.1 se observa que el costo de capital total requerido para purificar el ácido láctico utilizando esta tecnología es. De esta forma, se ha comprobado el supuesto de que el paso de purificación del ácido láctico representa un gran porcentaje del coste total de su bioproducción.
Extracción Reactiva
Se determinó un costo de capital total de USD US, que es la inversión total requerida para la construcción de la planta de bioproducción de ácido láctico, incluyendo la fase de purificación mediante destilación reactiva. Este valor se obtuvo a partir de la simulación del proceso de bioproducción de ácido láctico basado en el trabajo de Méndez-Alva et al. Por tanto, la extracción reactiva utilizada como tecnología de purificación aumenta la viabilidad económica del proceso de bioproducción de ácido láctico.
Electrodiálisis
Water-enhanced solubility of lactic acid in reactive extraction using trioctylamine/various active diluent systems. Fermentative production of lactic acid from biomass: an overview on process developments and future perspectives. Plant-wide economic comparison of lactic acid recovery processes by reactive distillation with different alcohols.
