01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de ...
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X° Congreso Internacional RedBioLACFoz de Iguazú, 20 y 21 de septiembre de 2018
Bioenergía y metabolitos a través de digestión anaerobia y fermentación oscura de biomasa residual
bajo un esquema de biorefinería
Universidad EAN / Universidad Santo TomásMónica Amado, Iván Santiago, Mario Andrés Hernández, Iván Cabeza
Rojas
Contenido
1. Estado del Arte2. Justificación3. Metodología4. Resultados5. Conclusiones6. Bibliografía EVALUACIÓN DE RUTAS DE APROVECHAMIENTO DE
BIOMASA RESIDUAL BAJO EL ESQUEMA DE BIOREFINERÍAS
Los combustibles fósiles
En Julio de 2008 el precio del barril de crudo supero la barrera
de los 133,40 USD. 500% mayor que el valor del 2002
https://www.eia.gov/beta/international/data/
Panorama Internacional y
Colombiano
Los combustibles fósiles
Se ha demostrado el impacto ambiental que ha generado las
emisiones con el uso de combustibles fósiles
Panorama Internacional y
Colombiano
International Energy Statistics. (s. f.). Recuperado 11 de diciembre de 2017, a partir de https://www.eia.gov/beta/international/data/
Biocombustibles
2010 = 540 mil barriles por día.
2016 = 628 mil barriles por día.
Sur América y Centro América
https://www.eia.gov/beta/international/data/
Panorama Internacional y Colombiano
Biocombustibles
https://www.eia.gov/beta/international/data/
Panorama Internacional y Colombiano
Se espera que la Bio-energía seconvierta en uno de losprincipales recursos energéticospara el futuro, debido a que esun recurso renovable y aportaen la disminución de emisionesde dióxido de carbono
Biocombustibles
• Producidos a partir de cultivos agrícolas destinados a la alimentación humana. Su materia prima parte del azúcar, almidón y aceite vegetal.
Bio-combustibles de primera generación
• Productos biológicos que provienen de materias primas no alimentarias, es decir biomasa lignocelulósica, como materia prima agrícola y forestal.
Bio-combustibles de segunda generación
• Producido a partir de materia prima cultivada de forma acuática (Es decir, algas).Bio-combustibles de
tercera generación
Biocombustibles segunda generación
• Digestión anaerobia
Serie de pasos que involucran reacciones que conducen a la producción de biogas
Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis
Biocombustibles segunda generación
• Co-digestión anaerobiaEs la digestión simultánea de dos o más sustratos orgánicosbiodegradables
DIGESTIÓN ANAEROBIA
BIOGAS
!"#$%&'&
SUBPRODUCTOSAGV´sCarbohidratosEtanol
Biocombustibles segunda generación
• Fermentación oscuraLa fermentación oscura se lleva a cabo por microorganismosproductores de hidrógeno fermentativo, como anaerobiosfacultativos y anaerobios obligados
Hidrólisis Fermentación
Biocombustibles segunda generación
• Fermentación oscuraRealizada por microorganismos productores de hidrógeno,como anaerobios facultativos y anaerobios obligados
FERMENTACIÓN OSCURA
BIOGAS!"#$#
SUBPRODUCTOSAGV´sCarbohidratosEtanol
Biorefinerías
Las bio-refinerías se están desarrollando como mediotecnológico para la transición a este enfoque económico,abriendo la posibilidad de agregar valor a la biomasa a travésde un proceso sostenible
Biorefining, as per the International Energy Agency (IEA), is the “sustainable processing of biomass into a spectrum of marketable products (food, feed,
materials and chemicals) and energy (fuels, power, heat)”
Biorefinerías
Digestión Anaerobia
SUST
RATO
BIOGAS
SUBPRODUCTOS
Fermentación Oscura PR
OCES
OS F
ISIC
O-Q
UÍM
ICOS
Procesos:
SeparaciónRecuperación
De mejora de productosReutilización de subproductos
Biomasa
La agroindustria es una fuente constante de biomasa residualque generalmente no tiene ningún valor agregado durante lasactividades de cosecha o en toda la industria deprocesamiento de materias primas.
Biomasa
Antioquia 10%
Arauca14%
Huila7%
Norte de Santander 8%
Santander 45%
Total 4 departamentos
16%
PRODUCCIÓN DE CACAO 2016PRODUCCIÓN > 4.000 t
Antioquia
Arauca
Huila
Norte de Santander
Santander
Total 4 departamentos
Biomasa
Antioquia 27%
Caldas 14%
Cauca11%
Huila14%
Risaralda9%
Santander 7%
Tolima 8%
Valle del Cauca 10%
PRODUCCIÓN DE CAFÉ 2016PRODUCCIÓN > 50.000 t
Antioquia
Caldas
Cauca
Huila
Risaralda
Santander
Biomasa
Colombia ha informado un aumentoen la producción porcina significativa.Los valores reportados de cabezasregistradas ante la asociación para2015 y 2016 en el departamento deSantander son 35415 y 31265respectivamente.
Metodología
• El progreso de la investigación en bio-refinerías.• Composición y características de la biomasa residual.• Bio-refinerías en Aspen Plus®.
RevisiónBibliográfica
• Revisión bibliográfica• Análisis Elemental CHONS• HPLC - Cromatografía líquida de alta resolución• Análisis de Carbohidratos• Solidos totales, solidos volátiles.
Caracterización de la Biomasa
Metodología
• Entrada de sustratos en simulación de software• Entrada de procesos principales• Simular el proceso biológico en Aspen Plus, la digestión anaeróbica
(AD) y el proceso de fermentación oscura (DF)
Simulación de procesos
principales
• Análisis de potencial de producción de biogás para la mezcla de sustratos.
• Calculo de producción de gas metano e hidrogeno a partir de las mezclas propuestas.
• Análisis de subproductos obtenidos (Cantidad, costo, posibles usos)
Análisis de resultados
Simulación
Se eligió el modelo NRTL (Non-Random Two-Liquid model)como método de propiedades ya que correlaciona y calcula lasfracciones molares y los coeficientes de actividad dediferentes compuestos. Adicionalmente facilita los cálculos lafase líquida y gaseosa en la producción de biogás.
Simulación
Digestión anaerobia - Hidrólisis
Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis
HYDROL
MIXER
DESIGN-SPECDS-1
BIOM-HYD
CACAO
ESTIERCO
CAFE
AGUA
BIOMASS
La hidrólisis está representada por la conversión fraccional de
los reactivos en un reactor estequiométrico que funciona a
308,15 K y 1 atm.
Simulación
Digestión anaerobia – Acidogénesis…
Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis
El reactor se simuló con la condición del tiempo de residencia (21 días) y
la fracción de volumen de la fase condensada (0,6).
El proceso se simuló con un reactor de tanque agitado continuo (CSTR).
A condiciones de 1 atm y 308,15 K.
Simulación
Fermentación oscura - Hidrólisis
HYDROL
MIXER
DESIGN-SPECDS-1
BIOM-HYD
CACAO
ESTIERCO
CAFE
AGUA
BIOMASS
La hidrólisis está representada por la conversión fraccional de
los reactivos en un reactor estequiométrico que funciona a
308,15 K y 1 atm.
Hidrólisis Fermentación
Simulación
Fermentación oscura - Fermentación
El proceso de fermentación se simuló mediante un reactor
estequimétrico, representada con la conversión .
Hidrólisis Fermentación
DFHYDRO
B2
DFSTOIQ
S3
S4
DFGAS
DFEFLUEN
MIXER
DUPL
B3
CACAO
ESTIERCO
CAFE
AGUA
BIOMASS
S2
Caso de estudio
• Estiercol de Cerdo = • Desechos de café= • Desechos de cacao=
Reservas de Crudo
Variación de Precios
Impacto ambiental
Reference: http://www.hpssociety.info/news/inputs.html
Caso de estudio
• Estiercol de Cerdo = • Desechos de café= • Desechos de cacao=
Reservas de Crudo
Variación de Precios
Impacto ambiental
Experimentación.Simulación de Procesos◦ Balance de masa◦ Balance de energía◦ Costos operacional
Esquemas de Bio-refinerías Sostenibles
Resultados
Caracterización sustratos
0,063
0,720
0,123
0,034 0,023
0,0230,0070,007
Composición de desechos de CacaoCELLULOS
DEXTROSE
HEMECELL
INERT
PROT-INS
PROT-SOL
TRIOLEIN
TRIPALM
0,029
0,860
0,026 0,0380,022
0,022 0,001
0,001
Composición de desechos de caféCELLULOS
DEXTROSE
HEMECELL
INERT
PROT-INS
PROT-SOL
TRIOLEIN
TRIPALM
0,0750,035
0,367
0,194
0,133
0,133
0,032 0,032
Composición de Estiércol de Cerdo
CELLULOS
DEXTROSE
HEMECELL
INERT
PROT-INS
PROT-SOL
TRIOLEIN
TRIPALM
Resultados
Simulación - Digestión anaerobia
PROMEDIOml/ g SV
H3N AMMONIA 86,1272CO2 CARBON-DIOXIDE 352,8456H2 HYDROGEN 8,3254CH4 METHANE 248,8498
H2SHYDROGEN-SULFIDE 8,8950
PROMEDIO g/g SV - ADACETIC-ACID 0,0002PROPIONIC-ACID 0,1176ISOBUTYRIC-ACID 0,2247ISOVALERIC-ACID 0,0595
DEXTROSE 0,0469ETHYL-CYANOACETATE 0,1256D-XYLOSE 0,0220
Resultados
Simulación - Digestión anaerobiaPROMEDIO g/g SV - AD
ACETIC-ACID 0,0002PROPIONIC-ACID 0,1176ISOBUTYRIC-ACID 0,2247ISOVALERIC-ACID 0,0595DEXTROSE 0,0469ETHYL-CYANOACETATE 0,1256D-XYLOSE 0,0220
SUBPRODUCTOS
Promedio de Ácidos grasos volátiles33445,97 mg/l
Promedio de Etanol67,286 l/día
Promedio de CarbohidratosDextrosa – 127,543 l/día – 3916,392 mg/l
Xylosa – 47,952 l/día – 1453,305 mg/l
Resultados
Proceso Principal(AD)
Separación por membranas
Electrodialisis (ED)
Biogas
Biomasa
H2S
Sustratos
Filtro: Remoción de Agua y aceites
Ácidos GrasosVolátiles
Fermentación anaerobia
Polihidroxialcanoatos
Biomass
Subproceso 1
Subproceso 4
Hidrolisis química
Biomasa
Monosacáridos (Glucosa/Xilosa)
Subproceso 5
Hidrolisis enzimatica
Combustión
Producción de Gas de sintesis
Biogas
CO2
Gas de Síntesis
Subproceso 3Agua
Energía
Sub-proceso 2
Simulación - Digestión anaerobia
Resultados
Simulación – Fermentación oscura
COMPUESTOS CANTIDAD kg/díaCELLULOSE 46.03DEXTROSE 336.12PROPIONIC-ACID 10.70GLUTARIC-ACID 28.76TRIOLEIN 28.76ETHANOL 116.85PROTEINS 116.85FURFURAL 6.45ACETIC ACID 243.30BUTIRIC ACID 172.35
CELLULOSE22%
INERT11%
WATER21%
DEXTROSE15%
PROPIONIC-ACID10%
PROLINE3%
GLUTARIC-ACID2%
TRIOLEIN2%
ETHANOL7%
PROTEINAS7%
SUB-PRODUCTOS EN MAYOR COMPOSICIÓN
CELLULOSE
INERT
WATER
DEXTROSE
PROPIONIC-ACID
PROLINE
GLUTARIC-ACID
TRIOLEIN
ETHANOL
PROTEINAS
NOMBREPROMEDIO DFml/ g SV
AMMONIA 0CARBON-DIOXIDE 7,25HYDROGEN 10,96METHANE 0HYDROGEN-SULFIDE 0
ResultadosLos principales subproductos de valor agregado identificados enlos procesos biológicos de digestión anaerobia y fermentaciónoscura son ácidos grasos volátiles, furfural y ácido láctico. Elfurfural se utiliza principalmente como disolvente en procesos derefinación de crudo para separar aceites lubricantes y combustiblediésel. El ácido succinico podría utilizarse como bloque deconstrucción para producir productos de alto valor como el 1,4-butanodiol, el tetrahidrofurano y biopolímeros (Jansen & vanGulik, 2014) por hidrogenación directa (Choi et al., 2015). Entreellos para la producción del polibutileno succinato (PBS) unpolímero biodegradable, polioles de poliéster, plastificantes ypoliuretanos (Cukalovic & Stevens, 2008).
Resultados Simulación – Fermentación oscura
Proceso Principal(AD)
Separación por membranas
Electrodialisis (ED)
Biogas
Biomasa
H2S
Biomasa
Filtro: Remoción de Agua y aceites
Ácidos GrasosVolátiles
Fermentación anaerobia
Polihidroxialcanoatos
Biomass
Subproceso 1
Subproceso 4
Hidrolisis química
Biomasa
Monosacáridos (Glucosa/Xilosa)
Subproceso 5
Hidrolisis enzimatica
Combustión
Producción de Gas de sintesis
Biogas
CO2
Gas de Síntesis
Subproceso 3Agua
Energía
Sub-proceso 2
Fermentación Oscura (DF)
Biog
as
Sustratos
Resultados Simulación – Fermentación oscura
Proceso Principal(AD)
Separación por membranas
Electrodialisis (ED)
Biogas
Biomasa
H2S
Filtro: Remoción de Agua y aceites
Ácidos GrasosVolátiles
Fermentación anaerobia
Polihidroxialcanoatos
Biomass
Subproceso 1
Subproceso 4
Hidrolisis química
Biomasa
Monosacáridos (Glucosa/Xilosa)
Subproceso 5
Hidrolisis enzimatica
Combustión
Producción de Gas de sintesis
Biogas
CO2
Gas de Síntesis
Subproceso 3Agua
Energía
Sub-proceso 2
Fermentación Oscura (DF)
Biog
as
Sustratos
Destilación
Tamiz Molecular
Biomasa
Etanol
Subproceso 6
Resultados Simulación – Fermentación oscura
Hidrolisis
Fermentación Oscura (DF)
Biog
as
Sustratos
Destilación
Tamiz Molecular
Biomasa
Etanol
Subproceso 6
Acetogenesis Acidogénesis
Biog
as
Sub-Prudctos
Subproceso 7
Acido AcéticoAcido ButíricoAcido PropaniocoAcido PropionicoAcido LácticoAcido Fórmico
Conclusiones
La simulación muestra que los substratos de disponibilidad enel departamento de Santander, Colombia tienen un granpotencial para la generación de biogás, que pueden serutilizados en la generación de energía o nuevos productossegún las necesidades del departamento obteniendo unmáximo de 8751.184 kW.
Estos procesos dan la posibilidad de obtener ganancias en elproceso mediante la reutilización o venta de subproductos, asícomo la generación de nuevos productos.
Conclusiones• El uso de cada uno de los subprocesos en el gran esquema depende dela evaluación económica y ambiental de cada uno de ellos. Además deuna posible integración energética que permite establecer un esquemasostenible después de cada uno de los procesos principales.
• Con la energía y el potencial económico de los sustratos utilizados, esevidente que pueden pasar de la carga negativa que actualmente tienenpara la agroindustria y la cría de cerdos a una fuente de ingresospositivos o una reducción del consumo de energía, es decir, laminimización de Costos operativos. Cambiando la producción de abonoorgánico, siendo el más utilizado, y la quema de residuos por biogás,ácidos grasos volátiles o biopolímeros.
Gracias por su atenciónMónica Amado, Iván Santiago, Mario Andrés Hernández, Iván Cabeza Rojas
Universidad EAN / Universidad Santo Tomá[email protected]
[email protected]á, Colombia