Delgado Noboa, Jorge Washington
Peña Llorente, José Ángel (dir.) ; Soler Herrero, Jaime (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: La biomasa residual no ha sido totalmente valorada y aprovechada en Ecuador desde el punto de vista energético. Ejemplo de ello es el mucílago de cacao que en la actualidad es un residuo sin aprovechamiento útil y rentable, sin embargo, representa un alto potencial energético en la producción de bioetanol carburante.
El principal objetivo del presente estudio consistió en demostrar que el mucílago de cacao, residuo de la creciente industria cacaotera, puede considerarse una materia prima con un gran potencial para la obtención de etanol, con la pureza necesaria para ser utilizada como aditivo de los combustibles, puesto que contiene la concentración de azúcares y nutrientes necesarios para la fermentación. El clon seleccionado para ello fue el CCN¿51, debido a que se encuentra de manera abundante en Ecuador.
Tras establecer un plan de muestreo, se procedió a la caracterización y aplicación de una batería de experimentos que permitió determinar tanto las propiedades físico¿químicas del mucílago, como las condiciones óptimas de operación del biorreactor. Los datos obtenidos demostraron que el mucílago contiene los nutrientes suficientes para la fermentación y que esta puede realizarse fácilmente en un biorreactor agitado. Estos resultados fueron aplicados a modelos cinéticos empíricos (Logístico Integrado, Gompertz modificado y el de Andrews y Levenspiel), y para ello se emplearon los métodos de Levenberg-Marquardt y de Runge-Kutta de tercer orden (ODE23) en MATLAB, demostrando un buen ajuste con los datos experimentales obtenidos.
El mucílago fermentado fue sometido a procesos de purificación para separar el etanol contenido. Dichos procesos fueron seleccionados tomando en consideración los equipos y reactivos disponibles. La configuración elegida para ello fue: destilación simple y con reflujo, destilación extractiva y adsorción mediante zeolitas, con los cuales se alcanzó la concentración de etanol requerida para el producto final.
Con los parámetros cinéticos obtenidos mediante el modelo de Andrews y Levenspiel se generó una unidad personalizada de fermentación de mucílago de cacao utilizando Aspen Custom Modeler (ACM), mostrando un buen ajuste con los datos experimentales.
A continuación, se simuló exitosamente el proceso de producción de etanol, aplicando el paquete de software de simulación de plantas químicas Aspen Plus®, donde se incluyó los procesos de fermentación, destilación y deshidratación. En primer lugar, se establecieron dos reactores: en el primero se configuró un proceso de inversión térmica de la sacarosa y en el segundo, la fermentación alcohólica. De la mano de Aspen Plus®, se diseñaron las columnas de destilación a través del modelo DSTWU para luego ser ajustadas con el modelo riguroso RadFrac. Se simuló el proceso de destilación extractiva para deshidratar el alcohol con el sistema de reciclaje y recirculación de la glicerina, empleada como medio extractor. Además, se empleó Aspen Adsorption® para simular el proceso de adsorción con tamices moleculares de zeolita tipo 3A para conseguir etanol anhidro, apto para su uso como aditivo de gasolina en Ecuador.
Finalmente, se propuso un análisis económico efectuado mediante el empleo de Aspen Plus®, que proporcionó diferentes costos referenciales para establecer una planta con un tiempo de vida de 20 años.
Resumen (otro idioma):
El principal objetivo del presente estudio consistió en demostrar que el mucílago de cacao, residuo de la creciente industria cacaotera, puede considerarse una materia prima con un gran potencial para la obtención de etanol, con la pureza necesaria para ser utilizada como aditivo de los combustibles, puesto que contiene la concentración de azúcares y nutrientes necesarios para la fermentación. El clon seleccionado para ello fue el CCN¿51, debido a que se encuentra de manera abundante en Ecuador.
Tras establecer un plan de muestreo, se procedió a la caracterización y aplicación de una batería de experimentos que permitió determinar tanto las propiedades físico¿químicas del mucílago, como las condiciones óptimas de operación del biorreactor. Los datos obtenidos demostraron que el mucílago contiene los nutrientes suficientes para la fermentación y que esta puede realizarse fácilmente en un biorreactor agitado. Estos resultados fueron aplicados a modelos cinéticos empíricos (Logístico Integrado, Gompertz modificado y el de Andrews y Levenspiel), y para ello se emplearon los métodos de Levenberg-Marquardt y de Runge-Kutta de tercer orden (ODE23) en MATLAB, demostrando un buen ajuste con los datos experimentales obtenidos.
El mucílago fermentado fue sometido a procesos de purificación para separar el etanol contenido. Dichos procesos fueron seleccionados tomando en consideración los equipos y reactivos disponibles. La configuración elegida para ello fue: destilación simple y con reflujo, destilación extractiva y adsorción mediante zeolitas, con los cuales se alcanzó la concentración de etanol requerida para el producto final.
Con los parámetros cinéticos obtenidos mediante el modelo de Andrews y Levenspiel se generó una unidad personalizada de fermentación de mucílago de cacao utilizando Aspen Custom Modeler (ACM), mostrando un buen ajuste con los datos experimentales.
A continuación, se simuló exitosamente el proceso de producción de etanol, aplicando el paquete de software de simulación de plantas químicas Aspen Plus®, donde se incluyó los procesos de fermentación, destilación y deshidratación. En primer lugar, se establecieron dos reactores: en el primero se configuró un proceso de inversión térmica de la sacarosa y en el segundo, la fermentación alcohólica. De la mano de Aspen Plus®, se diseñaron las columnas de destilación a través del modelo DSTWU para luego ser ajustadas con el modelo riguroso RadFrac. Se simuló el proceso de destilación extractiva para deshidratar el alcohol con el sistema de reciclaje y recirculación de la glicerina, empleada como medio extractor. Además, se empleó Aspen Adsorption® para simular el proceso de adsorción con tamices moleculares de zeolita tipo 3A para conseguir etanol anhidro, apto para su uso como aditivo de gasolina en Ecuador.
Finalmente, se propuso un análisis económico efectuado mediante el empleo de Aspen Plus®, que proporcionó diferentes costos referenciales para establecer una planta con un tiempo de vida de 20 años.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: fermentación ; cinética química ; simulación ; levaduras
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio Ambiente
Plan(es): Plan 515
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 13 04 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Fecha de embargo : 2024-04-12
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Registro creado el 2024-04-09, última modificación el 2024-04-09
