en la valorización de importancia residuos

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Valorización de Residuos, Bioeconomía y Economía Circular, Soledad Gutiérrez, UdelaR, Uruguay

RESALVALOR

Soledad Gutiérrez

Operaciones de separación en la valorización de

residuos

RESALVALOR


ImportanciaFundamentosEl agua indeseableRecuperar el producto valiosoCómo elegir la separación ideal?

Importancia

RESALVALOR


Importancia de las

operaciones de separación

en industrias químicas y

bioquímicas

Tradicionalmente la gran mayoría de las operaciones de separación en la industria química involucran mezclasde compuestos orgánicos derivadosdel petróleo o efluentes de reactoresquímicos que procesan estosmateriales

Los químicos obtenibles de HC puedenserlo de compuestos orgánicosprovenientes de biomasa

Con los procesos biotecnológicosaparecen otros retos relacionados con las operaciones de separación

1 2

3 4

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Diferencias entre PQ y PBQ

Reactor a alta P y T TRH de horas (tamaño

de equipos) Operación en

continuo Control de proceso

maduro Tecnologías maduras

RESALVALOR


Diferencias entre PQ y PBQ

Fermentadores a P y T moderadas

Caldos diluídos TRH de días (equipos varios

órdenes de magnitud mayores)

Operación en batch Control de proceso en

desarrollo Numerosas etapas de

separación/purificación Tecnologías en desarrollo

Adaptado de Recovery of Citric Acid from Fermentation Broth Using Simulated Moving Bed Technology, Ph.D. Thesis , Jinglan Wu (2009). https://d-nb.info/100005490X/34

RESALVALOR


González,M; Álvarez, S.; Riera, F.; Álvarez, R. Economic evaluation of an integrated process for lactic acid production from ultrafiltered whey, Journal of Food Engineering, V 80, 2, 2007, 553-561,

Fundamentos

5 6

7 8

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Proceso de separación

Mezcla a separar

Producto puro 1

Producto puro 2

Producto n

TREN deProcesos de separación

Mezcla a separar

Corr 1 (rica en prod. 1)

Corr 2 ( rica en prod. 2

Corriente residual

IDEAL REAL


RESALVALOR5 técnicas básicas de separación

a) Creación de nueva fase b) Incorporación de otra fase fluida c) Interponer una barrera d) Separación por agente sólido e) Someter a un campo externo


RESALVALORAgentes separadores

Agente separador en masa (MSA) para agregado de segunda faseEj. Corriente de gas en proceso de stripping es un MSA

Agente separador energético (ESA) para creación de fasestransferencia de calor o trabajo mecánico hacia la mezcla Ej. Transferencia de calor en destilación


RESALVALOR

Ejemplos de separación por creación de fases

9 10

11 12

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RESALVALOREjemplos de separación por adición de fases

Operación Fase alimentada Fase adicionada Agente separador


RESALVALORc) Interponer una barrera


RESALVALORd) Separación por agente sólido

Adsorción

Cromatografía

Intercambio iónico

V/LV/L

V/L

V/L

V/L

L

L

L

RESALVALOR


Sea i uno de los C componentes de la alimentación A

Las C ecs. de balance de masa:

NC incógnitas para alimentación conocida

Se requieren (N-1)*C ecs. .. De dónde obtenerlas?

niA n1

A, n2A,….nC

A

1 2

3

N-1

N

𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ⋯ 𝑛 𝑛

13 14

15 16

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Tecnologías maduras: destilación, stripping, extracciónL-L, flasheo, destilación extractiva, absorción

Tecnologías en desarrollo: Cristalización, Extracción L-S (lixiviación), Secado, Separación por membranas

Modelo?


RESALVALOR

Applications of fluid separation processes in chemical and petrochemical industries Górak and Schoenmakers. Quo vadis Fluid Separation Processes – a German perspective, Oral Presentation,EFCE Working Party on Distiallation, Absorption and Extraction,September 16, 2004, Huelva-España

RESALVALOR


Formalizar el balance de masa

Sea i uno de los C componentes de la alimentación A Las C ecs. de balance de masa:

NC incógnitas para alimentación conocida Se requieren (N-1)*C ecs. .. De dónde obtenerlas?

niA n1

A, n2A,….nC

A

1 2

3

N-1

N

𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ⋯ 𝑛 𝑛

Operación madura: modelo matemático

Operación en desarrollo: experimentación


RESALVALORFactor (Poder) de separación (SP)

A

1

2

𝑎𝑏𝑐.. .. .

i

componentes

𝑆𝑃 ,

𝐶𝐶

𝐶𝐶

S1𝐶 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑖 en la corriente 1

𝐶 , , 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑖 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 2

17 18

19 20

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El agua indeseable

Agua

RESALVALOR


Agua 65%

Agua 95%

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21 22

23 24

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Motivación_ el tamboSeparadores mecanizados Extrusora inclinada

1er cono

Separados de sólidos

2do

cono

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Separadores mecanizados Extrusora horizontal

https://www.youtube.com/watch?v=DzhkZDgcjik

25 26

27 28

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Prensa de tornillo VOLUTE29

Mangone, F.; J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Dewatering Screw Pressing: Model Development and Sensitivity Analysis for Process Understanding. Computer Aided Chemical Engineering Volume 44, (2018) 1879-1884

𝑑𝑉𝐴. 𝑑𝑡

∆𝑃𝜇. 𝑅 𝑅

𝛼 𝜙 𝑅 𝜙

1 𝜙 . 𝜇

𝑃 𝜙 𝑃 , .𝜙

𝜙 1

𝑅 𝜙 𝑅 , .1

1 𝜙𝜙

𝑑𝑤𝑑𝑧

∆𝑃. 𝜌. 𝜋. 𝐷𝜇. 𝑅 𝑅

𝑑𝑥𝑑𝑧

𝑑𝑤𝑑𝑧 .

𝑥 𝑥𝑤

Bolsones de geotextil

RESALVALOR


Bolsones de geotextil RESALVALOR


T. W. Yee, C. R. Lawson, Z. Y. Wang, L. Ding, Y. Liu, 2012, “Geotextile tube dewatering of contaminedsediments, Tianjin Eco-City, China”, Geotextiles and Geomembranes, 31, 39-50

29 30

31 32

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Modelo y Optimización

Llenado 𝐴 . 𝑛 𝐴 . 1 𝜙

Vaciado 1 𝜙

𝑉 𝐿 𝐷.

.

𝜙 . ,

Mangone, F.; Ferreira, J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Modelling and optimization of a geotextile dewatering tubes process.Computer Aided Process Engineering, Volume 43, (2018) 1371-1376

RESALVALOR


Otras opcionesde espesamiento

https://www.flottweg.com/es/la-gama-de-productos/centrifugas/funcionamiento-de-las-centrifugas/

Centrífuga decanter Filtro prensa

Centrífuga de discos

Recuperar un bioproducto

Agua

Producto deseado


RESALVALOR

Clasificación_

Bioproductos

Especie biológica

tipo Sub-Tipo Ejemplos

Moléculas pequeñas

Metabolitos primarios

Gases, alcoholes orgánicos, cetonas Etanol, acetona, CO2

Ácidos orgánicos, aminoácidosMono y di sacáridos, Vitaminas

Ac. Láctico, cítrico, lisina, glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa, Ac.ascórbico, Ac. fólico

Metabolitos secundarios

Antibióticos, Esteroides, Hormonas, Fitoquímicos,

CitotoxinasPenicilina, Colesterol, insulina

Biopolímeros

Proteínas Enzimas, Hormonas, Anticuerpos

Celulasa, enzimas industriales (lipasas)

Polisacáridos Dextranos, alginatos, xantano

Ácidos nucleicos

Plásmidos, oligonucleótídos

Lípidos Prostaglandinas, glicerolLCFA

Virus Vacunas, adenovirus, retrovirus

Mat. Celular particulado

Células Eubacterias, Eukariotas, Archeas

Saccharomyces cerevisia , Methanogénicas

Hidrolizados y extractos

Extracto de levadura, de tejidos animales, hidrolizado de suero de leche

Componente celulares

Ribozomas, liposomas

33 34

35 36

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RESALVALORParticularidades de bioseparaciones

1. Actividad vs. concentración2. Secuencia de etapas 3. Labilidad4. Escala5. Pureza6. Aprobación y manufactura: terapéuticos, profilácticos o

alimenticios se aprueban por la FDA

RESALVALOR


Extracción de Penicilina V

Harding K.G. Harrison S. (2016)South African Journal of Chemical Engineering, V 22, pp 23-33

RESALVALOR


H20 80%Biomasa 4,5%Penicilina 5,5%

RESALVALOR


5,5 % 6,1 %

Se pierde 3% aquí

37 38

39 40

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39%

Se pierde 1,6% aquíRESALVALOR


Cristales con 5% de agua

Se pierde 4% aquí

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Cristales con 0,05% de agua

20% rendimiento

global

RESALVALOR


Precio de producto y separaciones admisibles

Productos químicos de uso común….10-15%

Ácido láctico……………………………..50%

Penicilina………………………………….. 60%

Etanol Ac. Láctico Xilitol Penicilina Proteínas terapéuticas450 USD/ton 1700 USD/ton 3000 USD/ton 15.000 USD/ton 1E9 USD/ton

41 42

43 44

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Cómo elegir el tren de separación ideal?

Agua

Producto deseado

SistemáticaRESALVALOR


Heurísticas para

secuencias de separación

1. Remover componentes inestables, corrosivos o reactivos en las primeras etapas

2. Remover productos finales uno a uno (destilación)

3. Remover en las primeras etapas los componentes de mayor porcentaje en la alimentación

4. Realizar las separaciones más difíciles en ausencia de otros componentes

5. Dejar para las últimas etapas las separaciones que dan lugar a productos de alta pureza

6. Seleccionar secuencias que favorecen distribución equi molar (destilación)

RESALVALOR


glucosa

Solvente*

mediode cultivo

FermentaciónDisrupción

celularExtracción

por solventeSeparación de

sólidos

Cristalización

aire

Cosecha

agente floculante

Agua residual

Residuofloculado

Solvente

Lavado

Cristales húmedos

Producto

A destilac. y reciclo*

Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M: . Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 27, 2017, Barcelona, Spain

Obtención de betacaroteno a partir de glucosa RESALVALOR


Síntesis de tren de separación

Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M: . Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 27, 2017, Barcelona, Spain

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Superestructura

Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M: . Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering ESCAPE 27 2017 Barcelona Spain

RESALVALOR


Desafíos

Experimentación en separaciones:

Nuevos materiales Adosrbentes, membranas

Solventes

Aditivos: floculantes, de-emulsifiantes

Modelado de operaciones

Bases de datos de propiedades relevantes

RESALVALOR


Referencias Hua-Jiang Huanga, Shri Ramaswamya,∗, U.W. Tschirner a, B.V. Ramarao, Separation and Purification Technology 62 (2008)

1–21A review of separation technologies in current and future biorefineries

J. D. Seader, Ernest J. Henley, D. Keith, Roper. Separation process principles : chemical and biochemical operations /.—3rd ed. Wiley, US. 2011, ISBN 978-0-470-48183-7

Mangone, F.; Ferreira, J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Modelling and optimization of a geotextile dewatering tubes process. Computer Aided Process Engineering, Volume 43, (2018) 1371-1376

Mangone, F.; J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Dewatering Screw Pressing: Model Development and Sensitivity Analysis for ProcessUnderstanding. Computer Aided Chemical Engineering Volume 44, (2018) 1879-1884

Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M. Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 27, 2017, Barcelona, Spain

Jinglan Wu Ph.D. Thesis, Recovery of Citric Acid from Fermentation Broth Using Simulated Moving Bed Technology,(2009). https://d-nb.info/100005490X/34

AgricEngInt: CIGR Journal Open access at http://www.cigrjournal.org T. W. Yee, C. R. Lawson, Z. Y. Wang, L. Ding, Y. Liu, 2012, “Geotextile tube dewatering of contamined sediments, Tianjin Eco-

City, China”, Geotextiles and Geomembranes, 31, 39-50 Estado de Situación y manejo ambiental de la cuenca lechera del Santa Lucía, destino y naturaleza de nutrientes y

materia orgánica. (2015). Soledad Gutiérrez, Daniela Toledo. Institución financiadora Instituto Nacional de la Leche. Manual de Recomendaciones de buenas prácticas de manejo de efluentes y excretas de Tambo, (2016) Soledad

Gutiérrez, Ana Bianco, Daniela Toledo. Institución financiadora: INALE

Figuras en diapositivas 28, 32, 35, 36 y 38 reproducidas con permiso de Seader et al.

RESALVALOR


MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN

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en la valorización de importancia residuos

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