simulaciÓn del proceso para la obtenciÓn de …
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TEMA:
SIMULACIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE BIOBUTANOL A PARTIR
DE LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA PAJA DE ARROZ
AUTORES:
JUAN ANTONIO BAILÓN GUEVARA
EVELYN JOHANNA JIMÉNEZ MERCHÁN
TUTOR:
ING. GONZALO IVAN VILLA MANOSALVAS MSc.
GUAYAQUIL, MARZO DEL 2021
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO DE TITULACION PREVIA A LA OBTENCION DEL TITULO DE:
INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
SIMULACIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE BIOBUTANOL A PARTIR
DE LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA PAJA DE ARROZ
AUTORES:
JUAN ANTONIO BAILÓN GUEVARA
EVELYN JOHANNA JIMÉNEZ MERCHÁN
TUTOR:
ING. GONZALO IVAN VILLA MANOSALVAS MSc.
GUAYAQUIL, MARZO DEL 2021
FICHA DE REGISTRO DE TRABAJO DE TITULACIÓN
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TRABAJO DE TITULACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: “SIMULACIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE BIOBUTANOL A
PARTIR DE LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA PAJA
DE ARROZ”
AUTOR(ES) (apellidos/nombres): Bailón Guevara Juan Antonio
Jiménez Merchán Evelyn Johanna
REVISOR(ES)/TUTOR(ES)
(apellidos/nombres): Revisor: Ing. Peña Murillo Sandra Emperatriz MSc.
Tutor: Ing. Villa Manosalvas Gonzalo Iván MSc.
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ingeniería Química
ESPECIALIDAD: Ingeniería Química
GRADO OBTENIDO: Ingeniero Químico
FECHA DE PUBLICACIÓN: No. DE PÁGINAS: 117
ÁREAS TEMÁTICAS: Tecnologías, procesos y desarrollo industrial.
PALABRAS CLAVES/
KEYWORDS: Simulación, bio-butanol, biocombustible, paja de arroz, residuo agroindustrial,
fermentación ABE.
RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras): El presente trabajo fue realizado con el objetivo de desarrollar la simulación de un proceso para obtener bio-butanol a partir
de residuos agroindustriales provenientes de la paja de arroz, el proceso escogido fue la fermentación ABE y consta de las
etapas de pretratamiento, hidrólisis acida, hidrólisis enzimática, fermentación utilizando el hongo Saccharomyces cerevisiae y
la purificación del bio-butanol. Se utilizó el software Aspen Hysys versión 11 para simular el proceso e información
bibliográfica para obtener los datos de entrada, el proceso de operación para el simulador esta resumido en las siguientes
etapas, la selección de los componentes puros e ingreso de componentes hipotéticos con sus respectivos datos, las reacciones
que intervienen en el proceso y el paquete termodinámico el cual fue NRTL, por último se elaboró el diagrama de flujo con
sus respectivos flujos de entrada y salida en cada etapa del proceso, el cual inicia con el pretratamiento de la paja de arroz y
finaliza con varias fases de destilación para obtener el bio-butanol puro. Se operó con una alimentación de 272,7 Ton/h de
paja de arroz y se obtuvo como resultado el 96,4 % de bio-butanol con un flujo másico de 46,6 Ton/h, con esto se concluye
por medio del simulador Aspen Hysys que se puede obtener bio-butanol a partir del residuo lignocelulósico de la paja de
arroz y que el proceso escogido es favorable para la producción del bio-butanol.
ADJUNTO PDF: [X] SI
[ ] NO
CONTACTO CON AUTOR/ES:
Teléfono:
Juan Bailón Guevara: 0979913384
Evelyn Jiménez Merchán: 0992109242
E-mail:
juan_bailó[email protected]
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÓN:
Nombre: Universidad de Guayaquil
Teléfono: (04) 228- 7072, 228-7258, 222- 8695, 228- 4505
E-mail: [email protected]
--Ti-_UNIVERSIDAD DE GUAYAQUEL
FACULTAD DE INGENIERfA QufMICACARRERA DE INGENIER±A QuiMICA
LICENCIA GRATUITA INTRANSFHRIBLE Y N0 EXCLUSIVA PARA EL USO NOCOMERCIAL DE I.A 0BRA CON FINES NO ACADEMICOS
Nosotros, JUAN ANTONI0 BAILON GUHVARA con C.I. No. 0931079438 y EVELYNJ0IIANNA JIMENEZ MERCIIAN con C.I. No. 0950670075 certiflcamos que los contenidosdesarrollados en este trabajo de titulaci6n, cuyo tfulo es "SIMULAcldN DEL PROCESOPARA LA oBTENcl6N Dn BIOBUTANOL A PARTIR DE LoS REslDuosAGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA PAJA DE Alunoz" son de nuestraabsoluta propiedad y responsabilidad, en corformidad al Art. I 14 del C6DIG0 0RGANICO DELA ECONOMfA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVAC16N*,autorizamos la utilizaci6n de uiia licencia gratuita intransferible y no exclusiva para el uso nocomercial para el uso no comercial de la presente obra con fine§ no academicos, en favor de laUniversidad de Guayaquil, para que haga uso del mismo, como fuel.a pertinente.
Bail6n Guevara Juan AntonioC.I. 0931079438
Jim6nez Merchan Evelyn JohamaC.I. 0950670075
*C6DIGO ORGANICO DE LA ECONOMIA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS,
CREATIVIDAD E INNOVAC16N(Registro Oficial n. 899 -Dic. / 2016) Articulo 114.-De [os titulares de derechos de obrascreadas en las instituciones de educaci6n superior y centros educativos. - En el caso de lasobras creadas en centros educativos, universidades, escuelas polit6cnicas, institutos superiorestEcnicos, tecnol6gicos, pedag6gicos, de artes y los couservatorios superiores, e institutos
ptiblicos de investigacidn como resultado de su actividad academica o de investigaci6n talescomo trabajos de titulaci6n, proysctos de investigacidn o irmovaci6n, articulos acad6micos,u otros analogos, sin perjuicio de que pueda existir relaci6n de dependencia, la titularidadde los derechos patrimoniales corresponderi a los autores. Sin embargo, el est&blecimientotendri rna liccncia gratuita, intrausferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra confines acad6micos.
ANEXO VII.- CERTIFICADO PORCENTAJE DE SIMILITUD
Habiendo sido nombrado ING. GONZALO VILLA MANOSALVAS, MSc, tutor del trabajo de
titulación certifico que el presente trabajo de titulación ha sido elaborado por JUAN
ANTONIO BAILÓN GUEVARA con C.C. No. 0931079438 y EVELYN JOHANNA JIMÉNEZ
MERCHÁN con C.C. No. 0950670075, con mi respectiva supervisión como requerimiento
parcial para la obtención del título de INGENIERO QUÍMICO.
Se informa que el trabajo de titulación: “SIMULACIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN
DE BIOBUTANOL A PARTIR DE LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA
PAJA DE ARROZ”, ha sido orientado durante todo el periodo de ejecución en el programa
antiplagio URKUND quedando el 1% de coincidencia.
__________________________________
ING. GONZALO VILLA MANOSALVAS MSc.
C.C. 0907348189
FECHA: 09/03/2021
Firmado electrónicamente por:
GONZALO IVANVILLAMANOSALVAS
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Guayaquil, marzo 9 del 2021
Sr.
ING. LUIS ALBERTO BONILLA ABARCA MSc. DIRECTOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL Ciudad. -
De mis consideraciones:
Envío a Ud. el Informe correspondiente a la tutoría realizada al Trabajo de Titulación denominado:
“SIMULACIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE BIOBUTANOL A PARTIR DE LOS RESIDUOS
AGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA PAJA DE ARROZ” de los estudiantes JUAN ANTONIO
BAILÓN GUEVARA con C.I. No. 0931079438 y EVELYN JOHANNA JIMÉNEZ MERCHÁN con
C.C. No. 0950670075, indicando que he cumplido con todos los parámetros establecidos en la normativa
vigente:
• El trabajo es el resultado de una investigación. • El estudiante demuestra conocimiento profesional integral. • El trabajo presenta una propuesta en el área de conocimiento. • El nivel de argumentación es coherente con el campo de conocimiento.
Adicionalmente, se adjunta el certificado de porcentaje de similitud y la valoración del trabajo de titulación
con la respectiva calificación.
Dando por concluida esta tutoría de trabajo de titulación, CERTIFICO, para los fines pertinentes, que los
estudiantes están aptos para continuar con el proceso de revisión final.
Atentamente,
______________________________________
ING. GONZALO VILLA MANOSALVAS MSc. DOCENTE TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN C.C. 0907348189 FECHA: 09/03/2021
ANEXO VI. - CERTIFICADO DEL DOCENTE-TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
Firmado electrónicamente por:
GONZALO IVANVILLAMANOSALVAS
Guayaquil, 17 marzo del 2021
Sr.
ING. LUIS ALBERTO BONILLA ABARCA
DIRECTOR (A) DE LA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL Ciudad.-
De mis consideraciones:
Envío a Ud. el Informe correspondiente a la REVISIÓN FINAL del Trabajo de Titulación “SIMULACIÓN DEL
PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE BIOBUTANOL A PARTIR DE LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES
PROVENIENTE DE LA PAJA DE ARROZ”, de los estudiantes Juan Antonio Bailón Guevara con C.I. No.
0931079438 y Evelyn Johanna Jiménez Merchán C.I. No. 0950670075. Las gestiones realizadas me
permiten indicar que el trabajo fue revisado considerando todos los parámetros establecidos en las
normativas vigentes, en el cumplimento de los siguientes aspectos: Cumplimiento de requisitos de forma:
El título tiene un máximo de _21___ palabras. La memoria escrita se ajusta a la estructura establecida. El documento se ajusta a las normas de escritura científica seleccionadas por la Facultad. La investigación es pertinente con la línea y sublíneas de investigación de la carrera. Los soportes teóricos son de máximo _5_ años. La propuesta presentada es pertinente. Cumplimiento con el Reglamento de Régimen Académico: El trabajo es el resultado de una investigación. El estudiante demuestra conocimiento profesional integral. El trabajo presenta una propuesta en el área de conocimiento. El nivel de argumentación es coherente con el campo de conocimiento.
Adicionalmente, se indica que fue revisado, el certificado de porcentaje de similitud, la valoración del
tutor, así como de las páginas preliminares solicitadas, lo cual indica el que el trabajo de investigación
cumple con los requisitos exigidos. Una vez concluida esta revisión, considero que los estudiantes Juan Antonio Bailón Guevara y Evelyn
Johanna Jiménez Merchán están aptos para continuar el proceso de titulación. Particular que
comunicamos a usted para los fines pertinentes.
Atentamente,
____________________ Ing. Sandra Peña Murillo MS.c
C.I. _0917228801__________
FECHA: __17/03/2021______
ANEXO VIII.- INFORME DEL DOCENTE REVISOR
Firmado electrónicamente por:
SANDRAEMPERATRIZ PENAMURILLO
II
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi madre Isabel Merchán, quien me dio la oportunidad de nacer y
quien con su compañía me demostró su cariño incondicional y con su partida me enseñó que la
vida continúa aún con los problemas que se presenten y que se debe siempre culminar todo lo que
nos propongamos empezar, sin importar lo difícil que resulte.
Evelyn Johanna Jiménez Merchán
III
AGRADECIMIENTO
Estoy agradecida con Dios, el ser supremo que gobierna nuestras vidas y que me ha
permitido culminar esta etapa a pesar de las dificultades que se han presentado a lo largo de estos
años.
Agradezco a mi madre por su apoyo incondicional, a mi padre por su apoyo económico, a
las personas que conocí durante estos años y que, aunque son pocas me supieron brindar su
amistad desinteresada y a mi compañero de tesis por su ayuda y el esfuerzo y dedicación que ha
tenido en este trabajo.
También expreso mi agradecimiento a los docentes de la facultad de Ingeniería Química
de la Universidad de Guayaquil, quienes me brindaron sus vastos conocimientos.
Finalmente agradezco a las personas que me brindaron su apoyo participando de mis
emprendimientos, lo que me ayudó a culminar mis estudios.
Evelyn Johanna Jiménez Merchán
IV
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mi madre Fátima Guevara, la cual siempre se ha esforzado por
darme lo mejor y haberme demostrado su cariño incondicional, la que me enseño que a pesar de
los problemas uno se debe mantener siempre perseverando por lo que nos propongamos, sin ella
yo no hubiera llegado aquí, así que te digo ¡gracias mami!
Juan Antonio Bailón Guevara
V
AGRADECIMIENTO
Estoy agradecido con Dios, por siempre darme fuerzas y nunca haber permitido que
decaiga en esta etapa de mi vida a pesar de toda situación difícil que se ha presentado a través de
estos años.
Agradezco a mi madre Fátima Guevara por su apoyo incondicional, a mis hermanos y
abuelo quienes fueron un pilar importante ya que me brindaron siempre su apoyo
También doy mi agradecimiento a los docentes de la facultad de Ingeniería Química de la
Universidad de Guayaquil, quienes me brindaron sus vastos conocimientos y experiencias.
Finalmente agradezco a mis compañeros de estudio los cuales me ayudaron en los
momentos difíciles y a mi compañera de tesis por dar su esfuerzo en este trabajo y no haber
decaído a pesar de las situaciones que ella puede estar pasando.
Juan Antonio Bailón Guevara
VI
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
‘‘SIMULACIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE BIO-BUTANOL A
PARTIR DE LOS RESIDUOS AGROINDUSTRIALES PROVENIENTE DE LA PAJA
DE ARROZ’’
Autores: Juan Antonio Bailón Guevara
Evelyn Johanna Jiménez Merchán
Tutor: Ing. Gonzalo Villa Manosalvas
RESUMEN
El presente trabajo fue realizado con el objetivo de desarrollar la simulación de un proceso para
obtener bio-butanol a partir de residuos agroindustriales provenientes de la paja de arroz, el
proceso escogido fue la fermentación ABE y consta de las etapas de pretratamiento, hidrólisis
acida, hidrólisis enzimática, fermentación utilizando el hongo Saccharomyces cerevisiae y la
purificación del bio-butanol. Se utilizó el software Aspen Hysys versión 11 para simular el proceso
e información bibliográfica para obtener los datos de entrada, el proceso de operación para el
simulador esta resumido en las siguientes etapas, la selección de los componentes puros e ingreso
de componentes hipotéticos con sus respectivos datos, las reacciones que intervienen en el proceso
y el paquete termodinámico el cual fue NRTL, por último se elaboró el diagrama de flujo con sus
respectivos flujos de entrada y salida en cada etapa del proceso, el cual inicia con el pretratamiento
de la paja de arroz y finaliza con varias fases de destilación para obtener el bio-butanol puro. Se
operó con una alimentación de 272,7 Ton/h de paja de arroz y se obtuvo como resultado el 96,4 %
de bio-butanol con un flujo másico de 46,6 Ton/h, con esto se concluye por medio del simulador
Aspen Hysys que se puede obtener bio-butanol a partir del residuo lignocelulósico de la paja de
arroz y que el proceso escogido es favorable para la producción del bio-butanol.
Palabras clave: simulación, bio-butanol, biocombustible, paja de arroz, residuo
agroindustrial, fermentación ABE.
VII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
‘‘SIMULATION OF THE PROCESS FOR OBTAINING BIO-BUTANOL FROM
AGRO-INDUSTRIAL WASTE FROM RICE STRAW”
Authors: Juan Antonio Bailón Guevara
Evelyn Johanna Jiménez Merchán
Advisor: Eng. Gonzalo Villa Manosalvas
ABSTRACT
The present work was carried out with the objective of developing the simulation of a process to
obtain bio-butanol from agroindustrial residues from rice straw, the chosen process was ABE
fermentation and consists of the pretreatment, acid hydrolysis, enzymatic hydrolysis, fermentation
using the fungus Saccharomyces cerevisiae and the purification of bio-butanol. Aspen Hysys
version 11 software was used to simulate the process and bibliographic information to obtain the
input data, the operation process for the simulator is summarized in the following stages, the
selection of the pure components and input of hypothetical components with their respective data,
the reactions involved in the process and the thermodynamic package which was NRTL, finally
the flow diagram was elaborated with their respective input and output flows in each stage of the
process, which begins with the pretreatment of the straw of rice and ends with several distillation
stages to obtain pure bio-butanol. It was operated with a feeding of 272.7 Ton / h of rice straw and
the result was 96.4% of bio-butanol with a mass flow of 46.6 Ton / h, with this it is concluded by
means of the simulator Aspen Hysys that bio-butanol can be obtained from the lignocellulosic
residue of rice straw and that the chosen process is favorable for the production of bio-butanol.
Keywords: simulation, biobutanol, biofuel, rice straw, substrate, ABE fermentation.
VIII
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN................................................................................................................... VI
ABSTRACT ................................................................................................................ VII
TABLA DE CONTENIDO ......................................................................................... VIII
ÍNDICE DE TABLA .................................................................................................. XIV
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................ XVII
LISTADO DE ABREVIATURAS .............................................................................. XIX
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 20
CAPÍTULO I ................................................................................................................. 22
1. EL PROBLEMA .................................................................................................. 22
1.1. Planteamiento del problema .......................................................................... 22
1.2. Formulación y sistematización del problema ................................................. 23
1.2.1. Formulación del problema de investigación .................................................. 23
1.2.2. Sistematización del problema de investigación .............................................. 23
1.2.3. Justificación de la investigación .................................................................... 24
1.2.4. Justificación teórica ...................................................................................... 24
1.2.5. Justificación metodológica ............................................................................ 25
1.2.6. Justificación práctica ..................................................................................... 26
1.3. Objetivos de la investigación ........................................................................ 26
1.3.1. Objetivo general ........................................................................................... 26
1.3.2. Objetivos específicos .................................................................................... 26
1.4. Delimitación de la investigación ................................................................... 27
IX
1.4.1. Delimitación temporal................................................................................... 27
1.4.2. Delimitación espacial .................................................................................... 27
1.4.3. Delimitación de contenido ............................................................................ 27
1.5. Hipótesis o premisa de la investigación ......................................................... 27
1.6. Variables de la investigación ......................................................................... 27
1.6.1. Variable independiente ................................................................................. 27
1.6.2. Variable dependiente .................................................................................... 27
1.7. Operacionalización de las variables ............................................................... 28
1.7.1. Matriz de operacionalización de variables ..................................................... 28
1.7.2. Matriz de consistencia ................................................................................... 28
CAPÍTULO II ............................................................................................................... 30
2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................... 30
2.1. Marco teórico................................................................................................ 30
2.1.1. La simulación y creación del primer simulador de procesos químicos ........... 30
2.1.2. Simuladores utilizados en Ingeniería Química ............................................... 31
2.1.2.1. Chemcad NXT ............................................................................................ 31
2.1.2.2. Super Pro Designer ..................................................................................... 31
2.1.2.3. Aspen Hysys ............................................................................................... 31
2.1.3. Origen de los biocombustibles ...................................................................... 32
2.1.4. Clasificación de los biocombustibles ............................................................. 33
X
2.1.5. Ventajas y desventajas de los biocombustibles de segunda generación .......... 34
2.1.6. Historia de la producción del bio-butanol y origen de la fermentación ABE .. 34
2.1.7. Bio-butanol como un combustible alternativo ............................................... 36
2.1.8. Comparación de propiedades fisicoquímicas de combustibles convencionales y
combustibles alternativos ...................................................................................................... 37
2.1.9. Métodos de separación de bio-butanol utilizados en la fermentación ABE .... 38
2.1.9.1. Adsorción ................................................................................................... 38
2.1.9.2. Extracción líquido - líquido ........................................................................ 38
2.1.9.3. Extracción de gas ........................................................................................ 39
2.1.9.4. Pervaporación ............................................................................................. 39
2.1.9.5. Destilación ................................................................................................. 40
2.1.10. Producción de bio-butanol a partir de diversas cepas y fuentes lignocelulósicas
según diversos estudios ......................................................................................................... 40
2.1.11. Origen de la especie de arroz Oryza sativa L. .............................................. 41
2.1.12. La paja de arroz como biomasa lignocelulósica ............................................ 42
2.1.13. Composición química de la paja de arroz Oryza sativa ................................ 42
2.2. Marco conceptual .......................................................................................... 43
2.2.1. Simulación de procesos ................................................................................. 43
2.2.2. Paquete de componentes ............................................................................... 43
2.2.3. Paquete termodinámico NRTL ...................................................................... 44
XI
2.2.4. Biocombustible ............................................................................................. 44
2.2.5. Bio-butanol ................................................................................................... 44
2.2.6. Fermentación ABE ....................................................................................... 45
2.2.7. Clostridium Acetobutylicum ......................................................................... 45
2.2.8. Hidrólisis enzimática .................................................................................... 46
2.2.9. Biomasa ........................................................................................................ 46
2.2.10. Biomasa residual ......................................................................................... 46
2.2.11. Paja de arroz Oryza sativa ........................................................................... 47
2.3. Marco contextual .......................................................................................... 47
2.3.1. Estado de comercialización de distintos biocombustibles en la actualidad ..... 47
2.3.2. Compañías en distintos países dedicadas al comercio de bio-butanol............. 48
2.3.3. Bio-butanol y su producción en Ecuador ....................................................... 49
2.3.4. Cultivo de arroz en el Ecuador y su uso......................................................... 50
2.3.6. Zonas Productoras de arroz Oryza sativa....................................................... 51
2.4. Marco legal ................................................................................................... 52
CAPÍTULO III .............................................................................................................. 54
3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 54
3.1 . Enfoque metodológico ...................................................................................... 54
3.1.1. Metodología cuantitativa ............................................................................... 54
3.2. Tipos de investigación .................................................................................. 54
XII
3.2.1. Exploratoria .................................................................................................. 54
3.2.2. Descriptiva.................................................................................................... 54
3.2.3. Bibliográfica ................................................................................................. 55
3.3. Descripción del proceso para obtener Bio-butanol a partir de la paja de arroz 55
3.4. Consideración teórica para originar el algoritmo de Aspen Hysys ................. 57
3.5. Metodología de la simulación ....................................................................... 57
3.5.1. Selección de los componentes ....................................................................... 57
3.5.2. Selección del modelo termodinámico ............................................................ 59
3.5.3. Reacciones químicas ..................................................................................... 59
3.5.31. Reacciones utilizadas en cada proceso de la obtención del bio-butanol......... 61
3.5.4. Construir el PFD y agregar condiciones en cada flujo ................................... 62
3.5.5. Ingresar las variables y condiciones termodinámicas en el simulador ............ 63
3.5.6. Generar reporte de los flujos ......................................................................... 63
CAPÍTULO IV .............................................................................................................. 65
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................. 65
4.1. Componentes presentes en la simulación ....................................................... 65
4.1.1. Propiedades bases de cada componente ......................................................... 66
4.2. Áreas presentes en el proceso para la obtención de bio-butanol a partir de la paja
de arroz. 67
4.2.1. Área de pretratamiento .................................................................................. 67
4.2.1.1. Mezcladores del pretratamiento .................................................................. 68
XIII
4.2.1.2. Datos del primer mezclador (Balance de materia y energía) ........................ 68
4.2.1.3. Composición de los flujos de entrada del proceso en el mezclador .............. 69
4.2.1.4. Reactor de flujo de pistón ........................................................................... 70
4.2.1.5. Reactor CSTR (Cont.Stirred) ...................................................................... 71
4.2.2.1. Mezcladores de la hidrolisis enzimática y fermentación ABE ..................... 72
4.2.2.2. Reactor de conversión (CRV-100) .............................................................. 73
4.2.2.3. Separador (V-102) ...................................................................................... 74
4.2.3. Área de refinado del bio-butanol ................................................................... 75
4.2.3.1. Destiladores ................................................................................................ 76
4.2.3.2. Costos de equipos usados en la simulación ................................................. 78
CAPÍTULO V ............................................................................................................... 81
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... 81
5.1. CONCLUSIONES ........................................................................................ 81
5.2. RECOMENDACIONES ............................................................................... 82
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 83
ANEXOS .................................................................................................................. 93
XIV
ÍNDICE DE TABLA
Tabla 1:Matriz de operacionalización de variables ................................................................................. 28
Tabla 2 :Matriz de consistencia ............................................................................................................. 29
Tabla 3: Normativas legales, técnicas y leyes ambientales vigentes en Ecuador .................................... 53
Tabla 4 : Reacciones presentes en el Pretratamiento del ácido diluido ................................................... 61
Tabla 5: Reacciones presentes en el tratamiento con Hidrolisis enzimática ........................................... 61
Tabla 6: Reacciones presentes en el proceso de la Fermentación ABE .................................................... 62
Tabla 7 : Componentes presentes en la obtención de Bio-butanol a partir de la paja de arroz ................ 66
Tabla 8: Resultados del flujo del butanol con respecto a su fracción molar ..................................... 78
Tabla 9 : Resultados del flujo del butanol con sus respectivas condiciones de operación .. Error! Bookmark
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Tabla 10 : Costos de equipos usado para la simulación del Bio-butanol .................................................. 79
Tabla 11: Comparación de propiedades físicas entre combustibles convencionales y combustibles
alternativos ........................................................................................................................................... 93
Tabla 12: Diversas cepas y sustratos utilizados en la fermentación ABE en la producción de Bio-butanol 94
Tabla 13: Corrientes de la mezcladora 1 ................................................................................................ 95
Tabla 14 : Corrientes de la mezcladora 2 ............................................................................................... 95
Tabla 15: Corrientes de la mezcladora 3 ................................................................................................ 95
Tabla 16 : Corrientes de la mezcladora 4 ............................................................................................... 96
Tabla 17 : Corrientes de la mezcladora 5 ............................................................................................... 96
XV
Tabla 18 : Corrientes del reactor flujo pistón 1 ....................................................................................... 96
Tabla 19: Corrientes del reactor flujo pistón 2 ........................................................................................ 97
Tabla 20: Corrientes del separador 1 ..................................................................................................... 97
Tabla 21 : Corrientes del separador 2 .................................................................................................... 97
Tabla 22 : Corrientes del separador 3 .................................................................................................... 98
Tabla 23 : Corrientes del separador 4 .................................................................................................... 98
Tabla 24 : Corrientes del Reactor de conversión ..................................................................................... 98
Tabla 25 : Corrientes del Reactor CSTR .................................................................................................. 99
Tabla 26 : Corrientes del destilador 1 ..................................................................................................... 99
Tabla 27: Corrientes del destilador 2 ..................................................................................................... 99
Tabla 28 : Corrientes del destilador 3 ................................................................................................... 100
Tabla 29: Corrientes divisor de componentes -splitter .......................................................................... 100
Tabla 30 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 101
Tabla 31 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 102
Tabla 32 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 103
Tabla 33 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 104
Tabla 34 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 105
Tabla 35 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 106
Tabla 36 : Balance de materia y composición ...................................................................................... 107
Tabla 37: Corrientes de energía del proceso ........................................................................................ 109
XVI
Tabla 38 : Condiciones de los equipos .................................................................................................. 109
Tabla 39 : Condiciones del Reactor de conversión ................................................................................ 110
Tabla 40 : Condiciones de los mezcladores ........................................................................................... 110
Tabla 41 : Condiciones de las torres de destilación ............................................................................... 110
Tabla 42: Energía de los enfriadores .................................................................................................... 111
XVII
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Diagrama de bloque del proceso de obtención de Bio-butanol ................................................. 56
Figura 2: Componentes presentes en la obtención de Bio-butanol a partir de la paja de arroz................ 58
Figura 3: Paquete termodinámico escogido es el sistema Non-Random Two-Liquid /NRTL ..................... 59
Figura 4 : Elección de las reacciones cinética y de conversión ................................................................. 60
Figura 5: balanceo y equilibrio de las ecuaciones químicas .................................................................... 61
Figura 6: Espacio de trabajo del diagrama de flujo del proceso para la obtención del butanol................ 62
Figura 7: Variables y condiciones termodinámicas en el simulador ........................................................ 63
Figura 8: Generar y exportar reporte de resultados en Excel .................................................................. 64
Figura 9: Excel con la función de la fracción molar de cada flujo ............................................................ 64
Figura 10: Propiedades de los componentes del butanol ........................................................................ 66
Figura 11 : Esquema del pretratamiento realizado a la paja de arroz para su acondicionamiento .......... 67
Figura 12 :Mezclador del flujo de alimentación del proceso trabajando a 1 atm .................................... 68
Figura 13 : Mezclador-1 con sus respectivos flujos para el balance de materia y energía ....................... 69
Figura 14: Composición en el mezclador de alimentación ...................................................................... 69
Figura 15 : Reactor flujo pistón (PFP-1) el cual facilita la hidrolisis ácida para producir dextrosa y xilosa 70
Figura 16 : Reactor flujo pistón (PFP-1) con sus respectivas condiciones para cada flujo ........................ 71
Figura 17 : Reactor CSTR con sus respectivos flujos que participan en la Hidrólisis ácida ........................ 71
Figura 18 :Esquema del tratamiento de la hidrolisis enzimática y la fermentación ABE .......................... 72
XVIII
Figura 19 : Mezclador 5 es donde se realiza combinación del flujo de alimentación con el cultivo de S.
cerevisiae .............................................................................................................................................. 73
Figura 20: Reactor de conversión utilizado como parte importante de la hidrolisis ácida........................ 73
Figura 21 :Separador v-102, adaptado para la fermentación ABE .......................................................... 74
Figura 22 : Separador cuenta con un flujo de salida (FLUJO ABE) con el producto que se trata de refinar 74
Figura 23: Área de refinado del bio-butanol por medio de una serie de destiladores ............................. 75
Figura 24: Serie de destiladores para el refinado del bio-butanol ........................................................... 76
Figura 25 : Esquema del proceso de la simulación para la obtención del bio-butanol a partir del residuo
lignocelulósico proveniente de la paja de arroz ...................................................................................... 77
XIX
LISTADO DE ABREVIATURAS
Mezc.- Mezcladores que se encuentran en el proceso
P.- Potencia o energía de alimentación para cada equipo
B.- Bombas que aumentan el flujo de alimentación
CSTR. - Cont. Reactor de tanque agitado continúo
E.- Intercambiadores de calor presentes
RCY.- Reciclo de los flujos
V.- Tanque separador de componentes
Q.- Energía que se requieren para los intercambiadores de calor y tanque de flujo pistón
RFP.- Reactor de flujo pistón
T.- Torres de destilación en el área de refinado y extracción de alcohol
Viscozyme .- Complejo enzimático utilizado para la fermentación
CRV.- Reactor de conversión utilizado para el tratamiento de la hidrólisis enzimática
ABE.- Compuesto formado por una concentración de acetona , etanol y butanol
X.- Separador de componentes
20
INTRODUCCIÓN
Con la llegada de la revolución industrial y con la población que va en aumento cada vez más,
la demanda energética se hace más notoria y las fuentes de energía que han permanecido durante
años son las provenientes de recursos no renovables. Sin embargo, estudios afirman que el planeta
entero se encuentra en peligro debido al abuso de estos recursos y que su permanencia es
arriesgada, ya que a largo plazo estos recursos se podrían agotar (Thomas et al., 2017). La
sobreexplotación de combustibles fósiles produce serios problemas no solo por el riesgo de que se
agoten sino también por el impacto ambiental que ocasionan, motivo por el cual los gobernantes
mundiales han implementado estrategias ambientales que permitan disminuir el daño ocasionado
por el uso de estos recursos dando paso al desarrollo de productos provenientes de energías limpias
de más amplio desarrollo, de manera particular los combustibles líquidos.
En Ecuador la producción de biocombustibles todavía es escasa ya que solo el etanol se
produce en cantidades industriales para suplir la demanda de la gasolina Ecopaís, la cual fue
desarrollada como un aporte en beneficio al cambio de la matriz productiva impulsada por el
gobierno en el año 2010 (Sigüencia Avila et al., 2020).
Por otra parte, según (Mohapatra et al., 2020) el bio-butanol, un bio-alcohol considerado un
biocombustible de segunda generación, posee características superiores al bioetanol como una baja
volatilidad, alto contenido energético y un numero de octano alto, lo que ha llamado la atención
de investigadores los cuales se encuentran realizando pruebas a nivel de laboratorio que certifiquen
su eficiencia para llevarlos a escala industrial e incorporar a la producción de biocombustibles en
operación como el etanol. El biobutanol se encuentra a nivel mundial aún en la etapa de
demostración según IRENA (2016), a pesar de esto países considerados potencias mundiales como
los Estados Unidos y una economía en pleno desarrollo como China ya producen biobutanol,
21
contraste a ello los países que se encuentran en vía de desarrollo como el nuestro no lo produce
por las altas inversiones de capital para la construcción de una bio-refinería además de necesitar
un amplio mercado para cubrir las altas producciones necesarias para rentabilizar estos procesos.
En este trabajo, mediante el uso de la simulación se evaluará la eficiencia del proceso para la
elaboración de bio-butanol por fermentación ABE, el cual servirá para estudios posteriores que
deseen evaluar un proceso de obtención de biobutanol y poder llevarlo a escala industrial.
22
CAPÍTULO I
1. EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del problema
El gasto desmedido de agua, la generación de residuos, el uso de combustibles fósiles, los
vertidos de aguas residuales son solo algunas de las actividades que realiza el ser humano y que
causan gran impacto ambiental a nivel mundial (Mejías-Brizuela, Orozco-Guillen, & Galán-
Hernández, 2016). Es así como todos los países se encuentran en la búsqueda de alternativas que
permitan la disminución de contaminantes ambientales, entre las cuales se encuentra el desarrollo
de biocombustibles líquidos, los cuales generan menor cantidad de gases de efecto invernadero en
comparación con los combustibles fósiles.
En Ecuador los principales biocombustibles líquidos provienen de la caña de azúcar, siendo el
más conocido el bioetanol. En 2010 se llevó a cabo el plan piloto para la producción y expedición
de la gasolina Ecopaís, la cual contiene E5 una mezcla de bioetanol (5%) y gasolina extra (95%),
esta fue implementada por el gobierno central con el fin de contribuir con el cambio de la matriz
productiva (Sigüencia Avila et al., 2020).
A pesar de aquello, los esfuerzos del gobierno de la época por dejar la dependencia de los
combustibles fósiles no han perdurado, ya que, en 2018, luego de 8 años de haberse implementado
el plan piloto de la gasolina Ecopaís, se anunció la disminución del % de bioetanol en el
biocombustible, pasando del 5 al 1%, dando indicios a un retorno a la dependencia de combustibles
convencionales (El grupo el comercio, 2018). Con lo abordado se refleja una escasa participación
de biocombustibles en el país actualmente.
23
En Ecuador existen pocas industrias dedicadas a la producción de biocombustibles por el riesgo
de saber si será rentable o si la producción será optima. Entre las ventajas que ofrece la simulación
esta la posibilidad de predecir la eficiencia de un proceso industrial. Esta es una propuesta que
llama la atención de los ingenieros químicos y de proceso, ya que se podría evaluar la eficiencia y
de ser necesario optimizar el proceso de obtención del biocombustible antes de llevar a cabo la
implementación de este a escala industrial.
Este es el enfoque de la presente investigación hacia para la aplicación del simulador Aspen
Hysys, como plataforma que será utilizada para evaluar y optimizar un proceso para la obtención
de bio-butanol, combustible que no se produce en Ecuador pero que según ya se ha tratado en este
estudio posee características superiores al bioetanol. Mohapatra et al. (2020) se refiere en su
estudio que el bio-butanol posee menor volatilidad, mayor contenido energético con mayor número
de octano comparado con el bioetanol. Con lo mencionado se pretende dar a conocer la eficiencia
del potencial energético que posee el bio-butanol, el cual puede servir como base para la
implementación de una planta de producción de dicho biocombustible.
1.2. Formulación y sistematización del problema
1.2.1. Formulación del problema de investigación
A partir de la problemática planteada, se propone la siguiente pregunta de investigación.
¿Cuán eficiente será la simulación utilizando el software Aspen Hysys para el análisis y
optimización del proceso de obtención de bio-butanol?
1.2.2. Sistematización del problema de investigación
En el presente trabajo se pretende utilizar el simulador Aspen Hysys para analizar y optimizar
un proceso de obtención de bio-butanol elaborado a partir de paja de arroz. Mediante la aplicación
24
de este simulador se evaluará la eficiencia del proceso de obtención del biocombustible y el
potencial energético de la biomasa agroindustrial (paja de arroz), brindando así información que
respalda la eficiencia del proceso, el cual puede ser implementado a escala industrial en el país.
1.2.3. Justificación de la investigación
1.2.4. Justificación teórica
Uno de los proyectos que implementó el gobierno para con el cambio de la matriz productiva
del Ecuador fue la incorporación de combustibles alternativos que ayuden a cubrir la demanda
energética del país, contribuyendo así a disminuir la dependencia de combustibles fósiles,
provenientes de recursos no renovables como el petróleo. Los combustibles expedidos en el país
hasta 2010 eran la gasolina super y extra, ambos provenientes del crudo de petróleo, en ese mismo
año se implementó la distribución de la gasolina Ecopaís, una mezcla mejorada y ecoamigable de
la gasolina extra, la cual contaba con un 5% de bioetanol en su composición (Urgilés Sánchez &
Erreyes Erreyes, 2018).
Actualmente el bioetanol es el combustible eco-amigable más común para motores de
combustión interna (ICE) en países como Brasil, Estados Unidos, y Sudáfrica (Li et al., 2019). Así
mismo en Ecuador, el biocombustible por excelencia y el más conocido sigue siendo el bioetanol,
sin embargo, estudios afirman que el bio-butanol posee características que lo catalogan más
eficiente que alcoholes inferiores como el bioetanol, motivo por el cual se decidió indagar más
acerca de un proceso de obtención de bio-butanol que se espera genere resultados favorables.
El biobutanol es considerado un biocombustible de segunda generación, se lo obtiene al igual
que el bioetanol por proceso fermentativo de los azúcares. La producción de estos tipos de
biocombustibles tiene un costo elevado, es por ello por lo que existen pocas en el país. La
Asociación de Biocombustibles del Ecuador (APALE) reúne a empresas productoras de bioetanol,
25
las cuales venden su producto a PETROECUADOR, sin embargo, el país no cuenta con plantas
productoras de biobutanol.
Ante esta alternativa se pretende dar a conocer el potencial energético que posee el bio-butanol,
para justificar la implementación de una planta de producción de dicho biocombustible en el país.
1.2.5. Justificación metodológica
Para lograr los objetivos del presente trabajo de investigación se aplicará una metodología de
tipo bibliográfica que se complementará con la simulación del proceso de obtención de biobutanol
mediante el uso del software Aspen Hysys.
En la actualidad la simulación de procesos es muy utilizada en la ingeniería química, esta
permite representar transformaciones químicas o físicas involucradas en un proceso a través del
desarrollo de un modelo matemático, con el fin de predecir el comportamiento del proceso y de
ser el caso modificar las variables de operación para optimizarlo. Además de ello, la simulación
permite resolver problemas relacionados con el diseño de equipos y es muy común utilizarla en
creación de plantas pilotos cuando se desea obtener estimaciones de las condiciones de operación
(Castillo Rogel, Ramírez García, & Sigüenza Flores, 2019).
Aspen Hysys es un software desarrollado para resolver problemas relacionados con procesos
químicos y permite simular procesos en estado dinámico y estacionario, permitiendo calcular
propiedades fisicoquímicas, cargas de calor, además de realizar balances de materia y energía,
entre otras funciones. Hysys posee un paquete termodinámico amplio, el cual es una herramienta
clave en la simulación, ya que la elección correcta del modelo permitirá obtener resultados
eficientes (Castillo Rogel et al., 2019). Debido al amplio portafolio de funciones para simular
26
procesos químicos que posee Hysys, se decidió optar por su uso para simular el proceso de
obtención bio-butanol a partir de la paja de arroz.
Según indican Li et al., (2019) el proceso de la ruta de fermentación ABE (Acetona-butanol-
etanol) es el más eficiente para la producción de biobutanol y el medio fermentativo escogido es
el hongo Saccharomyces cerevisiae.
1.2.6. Justificación práctica
Con la realización de este trabajo se desea brindar información de la eficiencia de un proceso
de obtención de bio-butanol, el cual se corroborará con el uso del software Aspen Hysys en la
simulación del proceso. Los resultados obtenidos servirán como un aporte a las industrias
interesadas en producir biocombustibles con alto potencial energético para satisfacer la demanda
existente en Ecuador, pudiendo así disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero
relacionadas con la sobreexplotación de los combustibles convencionales provenientes de petróleo.
1.3. Objetivos de la investigación
1.3.1. Objetivo general
Analizar la producción de bio-butanol a partir de los residuos agroindustriales provenientes de
la paja de arroz corriendo simulaciones de un modelo generado en Aspen Hysys.
1.3.2. Objetivos específicos
Caracterizar el residuo agroindustrial proveniente de la paja de arroz.
Construir un modelo utilizando Aspen Hysys para la obtención de bio-butanol a partir
de residuos agroindustriales de la cosecha de arroz.
Simular condiciones de operación tomando como parámetros de entrada datos
tomados de la literatura técnica de punta.
27
1.4. Delimitación de la investigación
1.4.1. Delimitación temporal
El tiempo que conlleva la realización de este proyecto de titulación es de 5 meses, de
noviembre del 2020 hasta marzo del 2021.
1.4.2. Delimitación espacial
El presente proyecto de investigación tendrá lugar en la ciudad de Guayaquil, provincia del
Guayas. Al ser un trabajo bibliográfico no se precisa de las instalaciones de la Facultad de
ingeniería química como lo requiere un proyecto de tipo experimental.
1.4.3. Delimitación de contenido
Para la realización de este trabajo se cuenta con recursos bibliográficos brindados por la
Universidad de Guayaquil disponibles en la biblioteca virtual, además se posee licencia del
software Aspen Hysys por parte de los 2 autores del proyecto.
1.5. Hipótesis o premisa de la investigación
La simulación del proceso para la obtención de bio-butanol utilizando el software Aspen Hysys
contribuye eficientemente a su confiabilidad y optimización
1.6. Variables de la investigación
1.6.1. Variable independiente
Modelo de simulación desarrollado en Aspen Hysys
1.6.2. Variable dependiente
Proceso de obtención de bio-butanol
28
1.7. Operacionalización de las variables
1.7.1. Matriz de operacionalización de variables
La matriz de operacionalización de variables permite detallar las variables involucradas en el
problema de investigación, brindando información acerca del tipo de variables, su definición,
indicadores y unidades de trabajo. En la tabla 1 se detalla lo expresado.
Tabla 1:Matriz de operacionalización de variables
Tipo de
variable
Variable Definición Indicador Unidad
Ind
epen
die
nte
Modelo de
simulación
desarrollado
en Aspen
Hysys
Paquete termodinámico
incluido en el simulador
Aspen Hysys, el cual es
escogido de acuerdo con
las condiciones de
operación del proceso
para obtener resultados
eficientes.
Paquete
termodinámico
(NRTL)
Flujo molar
Kgmol/h
Dep
end
ien
te
Proceso de
obtención de
biobutanol
Procedimiento para la
elaboración del
biocombustible, el cual
inicia desde la entrada de
materia prima a la
primera etapa
(pretratamiento de la
paja de arroz) hasta la
salida del producto final
en la última etapa
(extracción del
biobutanol).
Temperatura
Factor Acéntrico
Presión
Volumen
Densidad Ideal
Punto de ebullición
Celsius
Adimensional
Atm
m3/Kgmol
Kg/m3
Celsius
Elaborado por: Juan Bailón y Evelyn Jiménez
1.7.2. Matriz de consistencia
La matriz de consistencia se encuentra en la tabla 2 y brinda información relacionada a como
a partir del problema, se estableció objetivos y sus respectivas hipótesis, abordando también cada
variable.
29
Tabla 2 :Matriz de consistencia
Problema general y
específicos
Objetivo general y
específicos
Hipótesis general y
especificas
Variables
Se desconoce la
eficiencia de la
aplicación del
simulador Aspen
Hysys para el análisis
y optimización del
proceso de obtención
de biobutanol.
General: Analizar la
producción de
biobutanol a partir de
los residuos
agroindustriales
provenientes de la paja
de arroz corriendo
simulaciones de un
modelo generado en
Aspen Hysys.
La aplicación del
simulador Aspen Hysys
contribuye
eficientemente a su
confiabilidad y
optimización, reflejando
una producción óptima
de biobutanol.
VI: Modelo
desarrollado en
Aspen Hysys.
VD: Proceso de
obtención de
biobutanol.
Se desconoce la
composición y
propiedades de la
paja de arroz para
caracterizar el
residuo en el
simulador.
Específico: Caracterizar el residuo
agroindustrial
proveniente de la paja
de arroz.
La investigación de las
propiedades y
composición de la paja
de arroz contribuyen a la
caracterización optima
del residuo en el
simulador.
VI: Propiedades y
composición del
residuo.
VD:
Caracterización
óptima del residuo
Se desconoce el
modelo de
simulación más
adecuado para
obtener resultados
favorables del
proceso.
Específico: Construir
un modelo utilizando
Aspen Hysys para la
obtención de biobutanol
a partir de residuos
agroindustriales de la
cosecha de arroz.
Los resultados
eficientes están
relacionados con la
correcta elección del
modelo generado en el
simulador.
VI: Modelo
generado en el
simulador.
VD: Resultados
eficientes.
Se desconoce las
condiciones de
operación correctas
para obtener un
proceso eficiente en
la simulación.
Específico: Simular las
condiciones de
operación tomando
como parámetros de
entrada datos tomado de
la literatura técnica de
punta.
El resultado eficiente de
la simulación indica que
se trabajó con las
condiciones de
operación correctas.
VI: Condiciones
de operación.
VD: Resultado
eficiente de la
simulación.
Elaborado por: Juan Bailón y Evelyn Jiménez
30
CAPÍTULO II
2. MARCO REFERENCIAL
2.1. Marco teórico
2.1.1. La simulación y creación del primer simulador de procesos químicos
Los primeros inicios de la simulación en la sociedad se remontan en 1946 cuando Stanislaw
Ulam inventa un modelo para resolver problemas matemáticos que difícilmente se podrían resolver
de forma analítica, esto surge porque Ulam se encontraba enfermo y poseía tiempo libre para
buscar maneras que facilite su trabajo sobre difusión de neutrones que incluía muchas integrales y
ecuaciones diferenciales. En una visita realizada por John Von Neumann, Ulan le participa de la
idea que tenía y juntos empiezan sus pruebas (De la Peña Zarzuelo, 2018; Eckhardt, 1987).
El método consistía en realizar pruebas mentales de probabilidad y registrarlas con el fin de
tener una idea del comportamiento del proceso y predecir un resultado correcto, este método fue
llamado método de Montecarlo. En 1947 se decide hacer las pruebas en la ENIAC, primer
computador electrónico, obteniendo resultados favorables. Durante la guerra fría se aplicó este
método para solucionar problemas de interés militar utilizando los primeros aparatos de
computación que ya existían (De la Peña Zarzuelo, 2018; Metropolis, 1987).
A inicios de 1960 crean los primeros simuladores para resolver problemas de ámbito civil, los
más conocidos fueron el GPSS de IBM (General Purpose System Simulator) y el SIMSCRIPT. En
1962 la compañía Monsanto crea el primer simulador de procesos químicos llamado Flowtran,
luego de 2 años de realizar pruebas, finalmente en 1964 se definió el sistema Flowtran, el cual
inicialmente se concentró en las propiedades físicas, las rutinas de entrada y salida y el diseño del
sistema de propósito general. Además, se implementó una serie de subrutinas de simulación
31
básicas (bloques) y se desarrolló un manual de usuario. Este fue distribuido a múltiples
universidades y en el año 1974 se comercializa la licencia de este simulador (Rosen & Pauls, 1997;
Scenna, 1999).
2.1.2. Simuladores utilizados en Ingeniería Química
Muchos de los simuladores son usados en procesos industriales de los cuales tienen un enfoque
al sector comercial, en donde se trata de optimizar procesos. Por ello muchos de estos presentan
licencia comercial.
2.1.2.1. Chemcad NXT
Este simulador fue creado en 1970 por el instituto tecnológico de Massachusetts y
comercializado desde 1980 por la compañía ASPEN TECH. En cual se puede simular y modelar
procesos químicos de flujo continuo de materiales e inclusive de energía (Castillo Rogel et al.,
2019)
2.1.2.2. Super Pro Designer
Este software fue desarrollado por Intelligen y es utilizado para realizar procesos químicos en
los cuales intervienen plantas de tratamiento con respecto a los efluentes, es muy usado también
en la ingeniería ambiental en el cual permite balances de energía como la térmica (Intelligen,
2020).
2.1.2.3. Aspen Hysys
Este simulador posee funciones bidireccionales, el cual permite que el flujo de información
vaya en ambas direcciones, eso quiere decir que cubre todo el proceso ya se en el inicio o en el fin.
Una de sus características es que calcular las condiciones de entrada a una operación con respecto
a sus corrientes de salidas. Además, permite una interacción de régimen dinámica como
32
estacionaría, este software se enfoca en la simulación de los procesos petroquímicos y procesos
afines a este. Pero también permite la resolución de varias clases de problemas relacionados con
los procesos químicos en los cuales puede emplear operaciones lógicas y herramientas que ayudan
a los diversos procesos (Castillo Rogel et al., 2019).
Los aspectos que se deben considerar para elegir un modelo en Aspen Hysys son: La naturaleza
con referencia a las propiedades de interés, los Intervalos de presión y temperatura con los que se
va a trabajar, la disponibilidad de parámetros ya que en este simulador cuenta con una serie
limitada, la composición que presenta la mezcla (Belmont Marentes, 2019).
2.1.3. Origen de los biocombustibles
El tema de los biocombustibles está siendo de notable interés durante las últimas décadas,
haciendo referencia a un término nuevo en la sociedad, sin embargo, no es así. El ser humano
produce biocombustibles desde la época de las cavernas, desde antes de la civilización, en esa
época cuando el hombre descubrió cómo hacer fuego utilizando paja, madera, leña para calentar
sus alimentos ya estaba produciendo biocombustibles sin saberlo. Las tecnologías para obtener
diversos tipos de biocombustibles son los que en la actualidad están llamando la atención de
científicos e investigadores (Salinas Callejas & Gasca Quezada, 2009).
Durante el siglo XVIII en América y en las principales ciudades europeas utilizaban grasas y
aceites para iluminarias. En 1860, con la llegada del kerosene empezaron a utilizarlo en lámparas
de las viviendas y calles. Años más tarde en 1895 el Dr. Rudolf Diesel desarrolló el primer motor
Diesel el cual funcionaba a partir de aceite de cacahuate. Luego Henry Ford en 1908 diseñó un
modelo T de automóvil, el cual esperaba utilizar etanol como combustible. La participación de los
biocombustibles hasta esa fecha se vió truncada debido a la disponibilidad, bajo costo, mejor
eficiencia del petróleo dejando atrás a los avances en los combustibles renovables y convirtiendo
33
a los combustibles fósiles superiores y dominando la economía mundial hasta la actualidad (Ramos
et al., 2016; Salinas Callejas & Gasca Quezada, 2009).
En 1970 la importancia del uso de los combustibles reaparece con la peor crisis del petróleo
en la historia, es así como se buscó alternativas de generar combustibles volviendo a ganar terreno
los combustibles renovables, además el impacto ambiental generado por el incremento de
emisiones de gases de efecto invernadero ha hecho rescatar el tema de los biocombustibles a nivel
mundial con el fin de ir reemplazando parcialmente los combustibles provenientes del petróleo,
recurso no renovable y que continua manejando la economía en la actualidad (Camps Michelena
& Marcos Martín, 2008).
2.1.4. Clasificación de los biocombustibles
Los biocombustibles son considerados así por su origen biológico, es así como son muy
diversos y es por eso por lo que se los puede clasificar de acuerdo con diferentes criterios. Por el
estado en que se encuentran pueden ser: sólidos, entre ellos están la paja, leña, astillas, pellets,
briquetas y carbón vegetal; líquidos, tales como alcoholes (bioetanol, bio-butanol), aceites,
biodiesel; gaseosos, como biohidrógeno, biogás. Por su origen se encuentran: a partir de cultivos
agrícolas (sorgo, girasol, maíz), forestales (eucaliptos, chopos, sauces), residuos agrícolas o
lignocelulósicos (paja, restos de cereales), provenientes de algas, etc. Por la generación designada:
primera generación, son elaborados a partir de cultivos, los cuales ponen riesgo la seguridad
alimentaria; segunda generación; elaborados a partir de desechos o residuos, garantizando la
seguridad alimentaria; tercera generación; estos son elaborados a partir de hongos y especies
microbiales; cuarta generación; desarrollados a partir de algas (Camps Michelena & Marcos
Martín, 2008; Ruan et al., 2019).
34
El bio-butanol, biocombustible propuesto en este estudio es considerado según las diferentes
formas de clasificación mencionadas, como un biocombustible en estado líquido, específicamente
un bioalcohol de 4 carbonos, elaborado a partir de residuos lignocelulósicos y de segunda
generación, ya que utiliza como materia prima la paja de arroz.
2.1.5. Ventajas y desventajas de los biocombustibles de segunda generación
Los biocombustibles que utilizan residuos como materia prima para su producción son
considerados de segunda generación, entre las ventajas de estos están: la materia prima utilizada
no compite con la alimentación de la población, provee de valor agregado al combustible,
utilización de materia prima con un bajo costo, disponibilidad de abundante materia prima, la
obtención de la materia prima no implica creación de empresas, ya que es un residuo proveniente
de productos existentes, reducción de desechos. Entre las desventajas que genera la producción de
estos tipos de biocombustibles están: requerimiento de pretratamientos por usar residuos como
materia prima, la conversión es más baja comparada con combustibles fósiles, falta de tecnología
y estudios existentes (Ibrahim et al., 2018; Ruan et al., 2019)
2.1.6. Historia de la producción del bio-butanol y origen de la fermentación ABE
El bio-butanol es conocido actualmente por ser un producto proveniente de la fermentación de
azúcares contenidas en diversos tipos de biomasas como residuos agrícolas y cultivos, la
fermentación ABE es el proceso por el cual se obtiene bio-butanol. Las primeras investigaciones
acerca de la fermentación las realiza Louis Pasteur desde 1857 hasta 1865 aproximadamente,
durante esos años realizó descubrimientos de la fermentación láctica, acética y butírica. En 1861
Pasteur produce en su laboratorio por primera vez bio-butanol, cuando descubrió un
microorganismo, llamado Vibrion butyrique, el cual podía sintetizar acido butírico y butanol en
ausencia de oxígeno (Liu et al., 2013; Mishra & Dubey, 2017).
35
A inicios del siglo XX se experimentó un incremento en la demanda de caucho natural y las
empresas productoras de este, se vieron en la necesidad de buscar formas de obtener caucho
sintético, el cual se podía obtener a partir de butanol. En 1904 Chaim Weizmann, científico de
origen bielorruso se mudó de la universidad de Ginebra a la universidad de Manchester en Reino
unido y en 1910 la empresa Strange and Graham Ltd. Contrata a Weizmann para que realice
investigaciones sobre la producción de bio-butanol para la obtención de caucho sintético, como
resultado de aquello en 1912, Weizmann logró aislar diversos cultivos, uno de estos fue llamado
BY, que luego fue conocido como Clostridium acetobutylicum, esta cepa demostró dar buenos
resultados para la obtención de butanol y cetona, debido a ello Weizmann solicito una patente años
más tarde (Jones & Woods, 1986).
Con la llegada de la primera guerra mundial en el año 1914 se incrementó la demanda de
cordita (pólvora sin humo) que era utilizada por la armada británica para sus municiones, esta
inicialmente se la obtenía del acetato de calcio pero debido a la poca importación que se conseguía
de esta se decidió producir cordita a partir de la acetona, influyendo así en el uso de las cepas
clostridiales obtenidas por Weizmann; el bio-butanol, que se producía juntamente con la acetona
era desechado en grandes tanques. Entre los años 1916 y 1917, el gobierno británico expandió el
proceso Weizmann de Inglaterra a Canadá y a los Estados Unidos. Luego el bio-butanol se utilizó
en la industria automovilística, específicamente para la producción de laca de nitrocelulosa (Jones
& Woods, 1986; Yi Wang et al., 2014).
Entre 1935 y 1941, continuaron las investigaciones y se aislaron varias cepas nuevas de
clostridios utilizando diferentes fuentes de carbono (melaza) con concentraciones más altas de
solventes. En 1945 la Segunda Guerra Mundial finaliza y con ella comienza una disminución
drástica de la producción industrial de butanol y acetona por fermentación AB, ya que se expande
36
la producción de butanol petroquímico y además aumenta su valor la principal materia prima
(melaza), no obstante, las investigaciones acerca de los clostridios continuaron, ahora con
diferentes materias primas o sustratos como maíz y trigo. En base a esas investigaciones y
experimentos se halla que en el proceso fermentativo AB no solo se produce acetona y butanol
sino también etanol, aunque en poca cantidad, es así como se origina la fermentación ABE
(acetona-butanol-etanol) (Jones & Woods, 1986; Patakova et al., 2011; Yi Wang et al., 2014).
2.1.7. Bio-butanol como un combustible alternativo
El butanol, alcohol butílico o 1-butanol, con fórmula molecular C4H9OH y peso molecular de
74,12 g/mol, forma parte de los alcoholes primarios y posee 4 carbonos en su estructura,
químicamente es obtenido a partir de propileno, sin embargo, se lo puede obtener por medio de la
fermentación de azúcares, permitiéndolo llamar como bio-butanol, por su origen biológico (Dong
et al., 2011; Maiti et al., 2016).
El bio-butanol ha llamado la atención de los investigadores en la actualidad por el potencial
energético que posee en el campo de los biocombustibles, el cual incluso según estudios afirman
que es superior a biocombustibles como el bioetanol, el cual es el más producido mundialmente y
a alcoholes inferiores como metanol y propanol, los cuales aún son tema de estudio y no se han
desarrollado ampliamente. Entre las características que hacen considerarlo superior al bio-butanol
de los demás alcoholes se encuentran: su alto número de octano, alto contenido energético, baja
volatilidad, baja presión de vapor, baja corrosividad, alta densidad, alto punto de inflamación.
Además cabe destacar que sus características son similares a las de la gasolina, lo que permite que
sea el más compatible y adecuado para conseguir una mezcla con resultados más favorables (Maiti
et al., 2016; Mishra & Dubey, 2017; No, 2019; Prasad, 2020).
37
2.1.8. Comparación de propiedades fisicoquímicas de combustibles convencionales y
combustibles alternativos
Estudios realizados por (Jin et al. (2011), Liu et al. (2013), Maiti et al. (2016), Mishra & Dubey
(2017), No (2019), Prasad (2020) y Wang et al. (2014) indican datos similares acerca de las
propiedades físicas y químicas del bio-butanol, bioetanol, bio-metanol y combustibles
convencionales como la gasolina y diésel, estas se presentan en la tabla 9, la cual nos muestra la
notable similitud entre algunas de las propiedades físicas y químicas del bio-butanol y la gasolina.
En base a aquello tenemos las siguientes observaciones.
El bio-butanol posee 4 carbonos en su estructura igual que el número mínimo de
carbonos que puede contener la gasolina, a diferencia de los alcoholes menores
como el etanol y el metanol.
El contenido energético que posee el bio-butanol es cercano al de la gasolina, siendo
estos de 29.2 y 32 MJ/L respectivamente.
El calor de vaporización en el bio-butanol es de 0.43 y el de la gasolina es de 0.36
MJ/Kg, aunque no es muy similar el valor, comparado con los demás
biocombustibles, el bio-butanol se encuentra más próximo.
La temperatura de ignición de la gasolina y del bio-butanol se encuentran en la
escala de 300 a diferencia del metanol y etanol que superan los 400,
considerándolos poco fiables para realizar una mezcla con la gasolina.
El número de octano RON del bio-butanol se encuentra en el rango del RON de la
gasolina, en contraste con los demás combustibles alternativos que se encuentran
fuera de ese rango. El diésel por su parte posee un rango muy bajo en comparación
con los demás combustibles mencionados.
38
En base a los datos recopilados de diversos autores se puede considerar al bio-butanol como
un combustible apto para ser mezclado con la gasolina.
2.1.9. Métodos de separación de bio-butanol utilizados en la fermentación ABE
En el proceso de fermentación ABE, cuando los solventes se acumulan a una concentración
menor de 30 g / L, las células muestran una inhibición significativa del crecimiento y su producción
es limitada. El butanol es reconocido como el producto más tóxico entre los disolventes(Janssen
et al., 2014) . Por lo tanto, se debe aplicar un método de recuperación de bio-butanol para mejorar
la productividad. Debido a que el butanol posee un punto de ebullición superior al del agua, no es
muy recomendado utilizar la destilación como un método para separar bio-butanol del caldo
fermentativo, es por ello que se han desarrollado otros métodos utilizados para la recuperación del
butanol que destacan por su eficiencia, entre ellos están: adsorción, extracción líquido-líquido,
pervaporación y extracción de gas (Dong et al., 2011).
2.1.9.1. Adsorción
Según (Liu et al., 2013; Yi Wang et al., 2014) este proceso permite recuperar bio-butanol del
caldo fermentativo fácilmente, consiste en utilizar adsorbentes en la fermentación y luego se aplica
desorción para obtener butanol puro. El adsorbente más utilizado es la silicalita; esta es una forma
de sílice con estructura similar a la zeolita y propiedades hidrófobas, esta se encarga de adsorber
selectivamente pequeñas moléculas orgánicas como alcoholes C1-C5 de una solución acuosa
diluida. Esta técnica ha sido utilizada en laboratorio y no a escala industrial debido a su baja
capacidad de adsorción y alto precio de los adsorbentes.
2.1.9.2. Extracción líquido - líquido
Según Dong et al. (2011) y Wang et al. (2014) este método se sostiene en el principio de que
las solubilidades de los productos químicos difieren en diferentes soluciones y los coeficientes de
39
distribución de los productos químicos varían entre dos fases inmiscibles. En esta técnica el
extractante orgánico insoluble en agua es mezclado con el caldo fermentativo, por su parte el
butanol, el cual es más soluble en el extractante orgánico que en el caldo fermentativo se
concentrará en la fase del extractante y será separado del caldo fermentativo. Estudios afirman que
el alcohol oleílico no es toxico para el microorganismo fermentativo, lo cual lo convierte en un
buen extractante para esta técnica.
2.1.9.3. Extracción de gas
Según Mishra & Dubey, (2017) y Wang et al. (2014) la extracción con gas es conocida por ser
una técnica sencilla , la cual no requiere aparatos costosos, además de no poner en riesgo el cultivo
productor de microbios, no elimina nutrientes ni intermediarios de reacción y reduce la toxicidad
del butanol. Mediante la aplicación de calor o gases inertes a baja presión, los compuestos volátiles
son separados fácilmente de las soluciones concentradas de azúcar. Entre los gases inertes, se
podría usar nitrógeno y los gases mezclados (dióxido de carbono e hidrógeno) generados durante
la fermentación también podrían recolectarse y usarse para ahorrar el costo del nitrógeno exógeno.
2.1.9.4. Pervaporación
Según (Dong et al., 2011; Liu et al., 2013; Mishra & Dubey, 2017) esta técnica de recuperación
de bio-butanol se basa en el uso de membranas con el fin de eliminar el líquido de los compuestos
volátiles del caldo fermentativo. Esta técnica consiste en el principio de transporte selectivo de
metabolitos a través de una membrana determinada mediante difusión mientras se aplica vacío en
el lado del permeado. Luego de la permeación, el vapor es condensado en el lado que posee la
presión más baja. Para este método las membranas más utilizadas para facilitar la transferencia de
los compuestos orgánicos presentes en el caldo fermentativo son las de polidimetilsiloxano y las
40
de caucho de silicona. Uno de los inconvenientes que presenta esta técnica es su costo elevado ya
que la presión de trabajo debe ser constantemente baja.
La desventaja de la técnica es que el método se vuelve caro ya que es necesario ejercer y
mantener una presión baja constante.
2.1.9.5. Destilación
La destilación es considerada una de las técnicas más antiguas para la separación del bio-
butanol del caldo fermentativo, en ella el agua cumple la función más importante, ya que la mayor
parte del consumo de energía durante la destilación es originada en la evaporación del agua en la
alimentación. El requerimiento energético específico es una función de la concentración de
alimentación de butanol y el rendimiento de la destilación está directamente relacionado con la
integración energética aplicada, porque el consumo de energía determina la mayor parte de los
costos operativos. Es una técnica costosa por lo que es imprescindible tener en cuenta dos cosas:
el solvente a utilizar adecuado y el diseño de las torres de destilado con medidas correctas
(Oudshoorn et al., 2009; Yinglong Wang et al., 2015).
2.1.10. Producción de bio-butanol a partir de diversas cepas y fuentes lignocelulósicas
según diversos estudios
En la tabla 10 se muestra una tabla comparativa de las diferentes cepas utilizadas en la
fermentación ABE, así también como los diferentes sustratos lignocelulósicos con el fin de evaluar
la eficiencia en la producción de bio-butanol. Los sustratos utilizados fueron paja de caña de
azúcar, paja de trigo hidrolizado, paja de arroz hidrolizada, fibra de maíz, bagazo de sorgo dulce,
bagazo de mandioca y salvado de arroz. Las cepas del género clostridium que fueron evaluadas
son Clostridium acetobutylicum ATTC 824, Clostridium beijerinckii P260, Clostridium
41
beijerinckii BA101, Clostridium acetobutylicum ABE0801, Clostridium acetobutylicum JB200 y
Clostridium Saccharoperbutylacetonicum N1 4.
La paja de arroz, el salvado de arroz y el bagazo de mandioca dieron resultados favorables en
los parámetros de concentración y rendimiento; los valores fueron: 13.8 y 0.23; 12 y 0.20; 9.7 y
0.22 respectivamente. El estudio realizado que utilizó la fibra de maíz por su parte fue en el cual
se obtuvo la concentración de bio-butanol y rendimiento más bajo, dando así 6.4 y 0.138. por otro
lado, en el trabajo que utilizó como sustrato paja de caña de azúcar con Clostridium acetobutylicum
ATTC 824 si bien la concentración fue de 7.4, se destaca por su alto rendimiento en cuanto a la
cantidad de materia prima utilizada, siendo este de 0.36 (Al-Shorgani et al., 2012; Lu et al., 2012;
Pratto et al., 2020; Qureshi, Saha, et al., 2008; Tsai et al., 2020; Zhang et al., 2011).
De acuerdo con los resultados analizados de los estudios escogidos se percibe el gran potencial
que posee la cepa de Clostridium acetobutylicum ATTC 824 en diferentes sustratos y se destaca
también la paja de arroz como sustrato por su efectividad en la concentración final del proceso de
producción de bio-butanol.
2.1.11. Origen de la especie de arroz Oryza sativa L.
El arroz es un cereal que posee gran variedad genética, las cuales pertenecen a dos tipos de
especies; el arroz asiático y el africano. Oryza sativa es el nombre científico del arroz de origen
asiático, su taxonomía según el Departamento de agricultura de los Estados Unidos (2020) se
clasifica en reino: Plantae; subreino: Tracheobionta; división: Magnoliophyta; clase: Liliopsida
(monocotiledónea); subclase: Commelinidae; orden: Cyperales; familia: Poaceae; subfamilia:
Ehrhartoideae; género: Oryza; especie: Sativa.
42
Esta especie fue descrita por Carlos Linneo (L.), el mismo que publicó en 1753 una obra de
dos tomos llamada Species Plantarum, en los cuales recopiló 5940 especies conocidas incluyendo
O. sativa. Varios son los autores que señalan que la especie Oryza sativa es originaria del sudeste
de Asia, de un lugar cercano a la parte sur de India, el cual posee condiciones ambientales que
favorecen el cultivo de la especie. Actualmente las dos especies de arroz se cultivan, sin embargo,
Oryza sativa L. se ha expandido por los distintos continentes y Oryza glaberrima Steud. no se ha
extendido de su lugar de origen, es decir solo se cultiva en el oeste de África (Degiovanni et al.,
2010).
2.1.12. La paja de arroz como biomasa lignocelulósica
En el artículo científico de Van Hung et al. (2020) se indica que la paja de arroz es un
subproducto generado de su cosecha de arroz, el cual su volumen de biocombustibles producido
dependerá mucho de los nutrientes con los que sea tratado ya que este contiene un bajo porcentaje
de lignina y de materia volátil. Además, por su uso en las industrias se lo puede considerar en un
candidato en la producción de energía renovable ya que es un residuo agroindustrial poco usado y
no tiene fines de consumo humano.
2.1.13. Composición química de la paja de arroz Oryza sativa
Según indican Van Hung et al. (2020) la paja de arroz puede variar en su composición química,
dependiendo del tipo de especie vegetal que sea, la etapa de crecimiento que se encuentra y hasta
de las condiciones ambientales en la que se encuentre. Esto afecta no solo a la producción de
biocombustible sino también a la alimentación del ganado ya que esta presenta un valor nutricional
escaso.
No obstante, diversos estudios señalan que la paja de arroz está compuesta principalmente por
celulosa, hemicelulosa y lignina; con porcentajes en peso aproximados de 32 - 47%, 19 - 27% y 5
43
- 24% respectivamente. Posee además entre 18 y 29% de cenizas, entre otros componentes. Su alto
contenido de cenizas hace que el poder calorífico disminuya y el contenido considerable de lignina
dificulta la acción de las enzimas en la fermentación, por lo que para ser usada como materia prima
para la producción de biocombustibles, es necesario realizarle un pretratamiento antes de la
fermentación, para la liberación de azúcares simples como: glucosa, xilosa y manosa (Mohapatra
et al., 2020; Ranjan et al., 2013; Van Hung et al., 2020).
2.2. Marco conceptual
2.2.1. Simulación de procesos
Desde el punto de vista de la ingeniería química, la simulación de procesos es la representación
de un proceso químico mediante la aplicación de un modelo matemático, con la resolución del
mismo se puede interpretar los datos obtenidos de ecuaciones de balance de energía y de materia
de algún proceso químico ya sea para sistema de estado estacionario o dinámico, pudiendo obtener
información sobre la eficiencia del proceso, además se puede estimar el costo de los equipos
involucrados en el proceso, conociendo así, si el proceso es factible económicamente (Belmont
Marentes, 2019; Foo & Elyas, 2017).
2.2.2. Paquete de componentes
Es una herramienta que poseen los softwares para simular procesos químicos y es en el dónde
se encuentra la información necesaria de las propiedades de los componentes. Esta información se
encuentra en un solo lugar lo cual facilita el ingreso y modificación de datos en el software, dentro
de los datos que se pueden ingresar están: los parámetros, reacciones, paquetes de componentes,
además también se pueden ingresar componentes hipotéticos, cuando no se encuentre el
componente deseado en la base de datos (Hyprotech, 2003).
44
2.2.3. Paquete termodinámico NRTL
Es una ecuación que significa modelo no aleatorio de dos líquidos, la cual se encuentra en el
paquete termodinámico del simulador Aspen Hysys y pertenece a los modelos de coeficiente de
actividad, este es utilizado en la rama de la ingeniería específicamente en la química para resolver
problemas de equilibrios de fase (Gebreyohannes et al., 2014).
2.2.4. Biocombustible
Según Gómez Castro et al. (2019) los biocombustibles son considerados un recurso energético
originado a partir de una serie de seres vivos a los cuales se denomina biomasa y que inicialmente
eran desechos, esta puede ser liquida, solida o gaseosa. Teniendo esta como finalidad liberar
energía contenida y a su vez mitigar los gases efecto invernadero, siendo esta una característica
que la diferencia de la materia prima que origina a los combustibles fósiles.
2.2.5. Bio-butanol
Según Ibrahim et al. (2018) y Sindhu et al. (2019) el bio-butanol es un combustible renovable
en estado líquido, específicamente un bio-alcohol primario que se puede originar a partir de la
fermentación de la biomasa lignocelulósica, posee un índice de octanaje mayor a la de etanol,
además que este cuenta con una característica peculiar, como lo es su grado de volatilidad y presión
de vapor que son bajas. En comparación con otros biocombustibles, este tiene el mayor grado de
similitud con la gasolina.
Además, que cuentan con un adecuado mezclado en referencia a los combustibles flexibles,
menor grado de peligro con respecto a su ignición y es menos higroscópico. El bio-butanol se lo
usa para combustibles de motores ya que presenta una Inter solubilidad con mayor viscosidad y a
su vez esta presenta mayor lubricidad. En estudios previos se indica que su proceso de obtención
45
se da por rutas biológicas en donde la fermentación ABE es la más usada y conveniente (Li et al.,
2019)
2.2.6. Fermentación ABE
Según Dong et al. (2011), Liu et al. (2013) y Prasad (2020) la fermentación ABE es una ruta
de un proceso fermentativo anaerobio que ocurre por acción de cepas de género Clostridium, entre
ellas se encuentran: C.beijerinckii, C.saccharoperbutylacetonicum y C. acetobutylicum, siendo
esta última la más eficiente; el proceso utiliza azúcares contenidas en diversos cultivos y residuos
como la paja de arroz, paja de trigo, caña de azúcar, remolacha, etc. La fermentación ABE se
realiza en 2 etapas: acidogénesis y solventogénesis.
Esta ruta es utilizada para obtener bio-butanol y en su producción intervienen varias etapas
como son: la movilización de biomasa, la selección y desarrollo de cepas bacterianas, las prácticas
de fermentación y la recuperación y purificación del caldo de fermentación y como resultado de
este proceso se obtiene acetona, butanol y etanol con una relación de 3:6:1 (Maiti et al., 2016;
Pratto et al., 2020).
2.2.7. Clostridium Acetobutylicum
Según Biebl (1999) y Janssen, Wang, & Blaschek (2014) Clostridium acetobutylycum es una
especie perteneciente al género clostridium, el cual posee un grupo heterogéneo con diversidad
fenotípica y genotípica, además de tener un metabolismo fermentativo bifásico. Para su
crecimiento es necesario que se encuentre a una temperatura entre 35 a 37°C y se requiere biotina
y 4-aminobenzoato como factores de crecimiento. Las bacterias de este género poseen
características como: poseen una pared celular grampositiva, exhiben un metabolismo de
fermentación anaeróbico obligado, formando endoesporas resistentes al calor.
46
2.2.8. Hidrólisis enzimática
Según Fan (2014) la hidrólisis enzimática es el proceso en el cual al se adicionan celulasas con
el fin de hidrolizar la biomasa lignocelulósica pretratada en azúcares fermentables. En este proceso
intervienen varias etapas tales como: la transferencia de enzimas desde la fase acuosa a la
superficie de la celulosa, la adsorción de las enzimas y formación de complejos enzima-sustrato,
la hidrólisis de la celulosa, la transferencia de los productos de hidrólisis de la superficie de las
partículas celulósicas a la fase acuosa a granel, y la hidrólisis de celodextrinas y celobiosa a glucosa
en la fase acuosa. Las características estructurales de la biomasa lignocelulósica como su
cristalinidad y cantidad de área de superficie de contacto, además de la composición y fuente de la
celulasa son las que controlan la velocidad del proceso.
2.2.9. Biomasa
Según Popa (2018) la biomasa es cualquier materia orgánica que se encuentra disponible sobre
una base renovable, incluidos cultivos energéticos, árboles, piensos agrícolas, plantas acuáticas,
maderas, residuos de madera. Es considerada además como carbono neutral y actualmente compite
con el petróleo, al ser ambos materia prima para combustibles.
2.2.10. Biomasa residual
Es un residuo proveniente de cualquier materia que se origina a consecuencia de las actividades
humanas o animal y del cual no se genera ningún valor económico en referencia al contexto con
el cual se lo ha producido, este tiende a ser eliminado o puede ser valorado. Hoy en día a estos
residuos se los trata de usar como un subproducto el cual se puede obtener energía ya que estos
son biomasa, hasta inclusive se los aplica comercialmente para obtener combustibles (Ciria &
Barro, 2016).
47
2.2.11. Paja de arroz Oryza sativa
Es un subproducto proveniente de la cosecha de la producción de arroz y por lo general es un
desecho. También es conocida como una biomasa que depende mucho de sus factores cuando está
en época de cosecha ya sea este por nutrientes del suelo o inclusive el clima. Esta es arrojada en
pilos después de que está cortada ya sea para ser quemada o para que se descomponga (Van Hung
et al., 2020). El “rastrojo”, la parte sin cortar de la paja de arroz después de la cosecha permanece
y puede quemarse o incorporarse al suelo en preparación para la próxima cosecha. La proporción
de paja a arroz varía entre 1,0 y 4,3.
2.3. Marco contextual
2.3.1. Estado de comercialización de distintos biocombustibles en la actualidad
En un estudio presentado por IRENA se describe la etapa de comercialización en la que se
encuentran diferentes vías avanzadas de bicombustibles, estas vías pueden ser combinación de
materia prima, tecnología de conversión y tipo de producto. Dentro de un parámetro conocido
como TRL (nivel de preparación tecnológica) que inicia de cero a nueve, donde el mayor valor
indica que vía se encuentra lista para comercializarse y el valor más bajo indica que la vía es tan
solo una idea o propuesta, se evaluó diversas rutas que se presentan a continuación (IRENA, 2016).
Los biocombustibles que utilizan residuos lignocelulósicos como materia prima (rastrojo de
maíz, paja de arroz o trigo), tales como bioetanol y bio-butanol se encuentran en la etapa lista para
comercializarse (TRL de 8) en cuanto al bioetanol, mientras que el bio-butanol se encuentra en
etapa de demostración (TRL de 6), ya que se encuentran en muchos países aun realizando
prototipos a grande escala. La tecnología de fermentación aerobia por su parte sen encuentra en
etapa de prototipo con un TRL de 5, la tecnología que utiliza azucares para hidrocarbonos alcanza
48
la etapa de prototipo de pequeña escala con un TRL de 4. La gasificación más la mezcla de
alcoholes se encuentra en etapa de demostración ocupando un TRL de 6 (IRENA, 2016).
2.3.2. Compañías en distintos países dedicadas al comercio de bio-butanol
Si bien es cierto en décadas pasadas la mayor parte del butanol se producía por rutas
petroquímicas, pero debido al aumento del precio del crudo las industrias se vieron en la necesidad
de buscar otras alternativas de obtención de este, es así como surge nuevamente la ruta
fermentativa para la producción de bio-butanol. Actualmente existen empresas dedicadas a la
producción de bio-butanol en distintas partes del mundo, uno de esos es los Estados Unidos,
considerado como una potencia mundial.
Cathay Industrial Biotech, actualmente es una de las compañías más grandes productoras de
bio-butanol, cuenta con una capacidad de 21 millones de galones de bio-butanol por año, fue
creada en 1997 en Shanghai, China y utiliza tecnología de fermentación ABE con especies
clostridias y con almidón de maíz como materia prima, además optimizó su proceso permitiendo
la disminución del uso de agua y energía significativamente (Yi Wang et al., 2014).
En 1991 en Gahanna, Ohio, USA se fundó la compañía Butylfuel, LLC, utiliza una tecnología
basada en una fermentación de 2 etapas que separa la producción de ácido butírico de la formación
de bio-butanol, actualmente se está desarrollando una planta piloto que incorpora esta tecnología
en un biorreactor de lecho fibroso (Sims, 2012).
Cobalt technologies se creó en 2005 en la localidad de Mountain View, CA, USA, utiliza una
cepa de clostridia patentada, en una tecnología celular inmovilizada, esta cepa no es modificada
genéticamente con alta productividad y capacidad para convertir azúcares C5 y C6 en butanol, la
cual es apta para operar en un reactor de fermentación continua. Posee una planta piloto de 5000
49
GPY desde junio de 2009. En la actualidad Cobalt está interesada en instalar una planta de bio-
butanol celulósico de 470,000 GPY (Yi Wang et al., 2014).
La empresa Green Biologics fundada en 2003 en la ciudad de Abington de Reino Unido, esta
posee un amplio catálogo de especies clostridias nativas y genéticamente modificadas, un diseño
de procesos de fermentación. En 2012 junto con Butylfuel se unieron con el afán de modernizar
plantas de etanol y abarcar el mercado internacional incluyendo Brasil y China (Bevill, 2012).
En la localidad de cantón de Zug, Suiza se fundó Butalco en 2007, su tecnología está basada
en levaduras optimizadas genéticamente para la producción de biocombustibles avanzados como
etanol y butanol mediante utilizando pentosas. Actualmente se encuentra trabajando junto con
socios para desarrollar procesos de producción integrados (Warshaw, 2008).
La compañía Tetravitae Bioscience fue creada en 2006 en Chicago, IL, USA, esta utiliza una
tecnología basada en una cepa estable de C. beijerinckii, la cual no es modificada genéticamente
y ofrece altos rendimientos de butanol, además de asegurar una inhibición reducida del producto
y capacidad de utilizar azúcares C5 y C6 (Sims, 2011).
2.3.3. Bio-butanol y su producción en Ecuador
Según Li et al. (2019) y Sindhu et al. (2019) el bio-butanol es uno de los combustibles de
segunda generación proveniente de la fermentación de biomasas lignocelulósica en el cual
intervienen varias especies de microbios , siendo este un combustible líquido de alto índice de
octanaje y de mejor volatilidad.
En Ecuador existen varias empresas dedicadas al desarrollo del etanol ya que presenta el apoyo
por parte de Petroecuador, a diferencia del butanol el cual por su elevado costo de producción este
50
se ha visto en la necesidad de ser exportado e importado por grupos como el RELUBQUIM y el
QUIMPAC, el cual presenta plantas productivas en varios países de Sudamérica.
2.3.4. Cultivo de arroz en el Ecuador y su uso
Según El productor (2017) el arroz en cáscara, el cual posee un 20% de humedad y 5% de
impureza, en el primer cuatrimestre del año 2017 tuvo un rendimiento promedio a nivel nacional
de 3.92 t/ha. Siendo la provincia de Loja la zona productora con mayor rendimiento (9.54 t/ha);
por su parte, la provincia de Los Ríos tuvo la menor productividad con solo 3.05 t/ha. El arroz es
considerado el cultivo más extenso del Ecuador, ya que este cereal ocupa más de la tercera parte
de la superficie en productos transitorios del país. Según el Censo Nacional Agropecuario realizado
en el año 2002, la siembra de arroz anualmente llegó a casi 340 mil hectáreas cultivadas por 75
mil unidades de producción agropecuarias.
Según las estadísticas brindadas por el Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuicultura y
Pesca del Ecuador y el Sistema de Información Geográfica y Agropecuaria, en el año 2009 hubo
alrededor de 371 mil hectáreas sembradas de arroz en el país, este valor comparado con los datos
de la siembra en el año 2004 y 2007 con casi 433 y 410 mil hectáreas sembradas respectivamente
demuestran un declive en la siembra de esta gramínea (INEC, 2011).
2.3.5. Aprovechamiento de la paja de arroz en Ecuador
La paja de arroz, considerada un subproducto de la cosecha de arroz ha sido considerada un
atractivo para la realización de diversos estudios, puesto que, al ser un residuo lignocelulósico,
posee alto valor energético. En Ecuador se ha realizado estudios a la misma para darle un valor
agregado ya que muchas veces es desechada en el suelo o es quemada para su eliminación, en la
actualidad uno de estos estudios es la elaboración de biogás, en la cual su tratamiento están
51
incluidas la aplicación de técnicas que faciliten su recogido, además se evalúa una valoración de
energía que esta genera en calderas (Energías renovables, 2018).
En noviembre de 2018 se desarrolló una microempresa llamada BIOM, la cual se fundamenta
en producir paneles aislantes térmicos y acústicos mediante el aprovechamiento de la paja de arroz,
según señalan sus creadores la idea surgió debido a las poca participación de empresas
ecoamigables en el país y a la contaminación producida por el mal manejo que se le da este residuo,
ya que muchas veces es quemado o simplemente se lo dispone en el suelo, según estudios aquello
es una causa de contaminación al ambiente, ya que el residuo generado por la cosecha de arroz
libera gran cantidad de CO2 a la atmósfera, considerado este un gas de efecto invernadero. La
implementación de esta empresa además contribuye con el cambio de la matriz productiva,
disminuyendo importaciones de lana de vidrio y poliestireno, que normalmente son usados para
las paredes aislantes, además que se genera un ingreso extra a los productores de arroz (Romero,
2019).
El Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias en julio del año 2020 admitió la
realización de campañas que fundamentaban en la elaboración de heno a base paja de arroz,
debido a que el tiempo de degradación de este residuo es muy largo ocasionando problemas al
medio ambiente, es por ello que la población de ese sector procedía a la quema para su eliminación
(La hora, 2020).
2.3.6. Zonas Productoras de arroz Oryza sativa
La mayor área sembrada de arroz en el Ecuador se centra en la Costa y en cantidades poco
significativas hay sembríos en el sector andino y en el oriente. La provincia del Guayas se coloca
en primer lugar, seguida de la provincia de Los Ríos en superficie sembrada ocupando un 83% de
52
toda la gramínea sembrada, otras provincias como Manabí, Esmeraldas, Loja se les atribuye el 11,
1 y 1% respectivamente, además de otras provincias que ocupan el 3% de superficie sembrada.
Con relación a la producción Guayas y Los Ríos poseen el 47 y 40% de la producción nacional,
por su parte se encuentra Manabí, ocupando el tercer lugar en producción con un 8% y las demás
provincias productoras considerándose productores menores con cifras inferiores (Alava et al.,
2018).
2.4. Marco legal
En Ecuador la principal normativa legal que rige el país es la Constitución de la República del
Ecuador, decretada en 2008, en el artículo 413 de la misma se indica que el estado implementara
la búsqueda de alternativas de energías renovables, sin poner en riesgo la seguridad alimentaria.
Dentro del ámbito ambiental, la normativa más importante que se encuentra vigente es el COA,
Código Orgánico del Ambiente, en su artículo 245 sostiene que las empresas deberán buscar
estrategias que reduzcan la contaminación ambiental, así mismo deberá incorporar recursos
renovables para optimizar su proceso productivo. En relación con los biocombustibles, el gobierno
ecuatoriano en septiembre del 2012 incorporó el decreto ejecutivo No. 1303 que indica que se
declara de interés público el desarrollo de bicombustibles que contribuyan con la sostenibilidad
del país. Además, se utilizará como referencia la norma técnica NTE INEN 935, en la cual
establece las especificaciones que debe poseer la gasolina, combustible con características
similares al bio-butanol y el más adecuado para obtener una mezcla. En la tabla 3, se encuentra la
descripción de las normativas y leyes vigentes en Ecuador.
53
Tabla 3: Normativas legales, técnicas y leyes ambientales vigentes en Ecuador
Normativas y
leyes vigentes
Artículos referentes Descripción de los artículos y secciones
Constitución de
la República del
Ecuador
Art. 413, Título VII:
Régimen del buen vivir,
Capítulo segundo
Biodiversidad y recursos
naturales, sección séptima:
Biosfera, ecología urbana y
energías alternativas.
El estado será encargado de fomentar la búsqueda y el
uso de nuevas alternativas energéticas que sean
amigables con el medio ambiente para poder
remplazar las energías generadas por recursos no
renovables, sin poner en riesgo la seguridad
alimentaria de la población (Constitución de la
República del Ecuador, 2008, Artículo 413).
Código Orgánico
del Ambiente
Art. 245, Libro tercero: De
la calidad ambiental, Título
VI: Producción y consumo
sustentable.
Las empresas tendrán la obligación de incorporar
estrategias para optimizar los procesos de producción,
aprovechando recursos renovables, disminuyendo las
cargas contaminantes a la atmósfera y contribuyendo
con la búsqueda de nuevos métodos que garanticen
una eficiencia energética, las cuales serán certificadas
por poseer una producción más limpia (Código
Orgánico del Ambiente, 2017, Artículo 245).
Decreto
Ejecutivo No.
1303
Art. 1 Se señala que el desarrollo de biocombustibles en el
Ecuador es de interés para toda la población, ya que
tomando como base la producción agrícola, se
permitirá la participación del desarrollo rural, con el
fin de contribuir con la sostenibilidad en el país
(Presidencia de la República del Ecuador, 2012).
NTE INEN 935 Sección 5, Tabla 3 Se indica las características que debe poseer la
gasolina con un RON de 93, siendo similar al del bio-
butanol, entre ellas está presión de vapor, punto final,
contenido de azufre, entre otras (INEN, 2016)
Elaborado por: Juan Bailón y Evelyn Jiménez
54
CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
3.1 . Enfoque metodológico
3.1.1. Metodología cuantitativa
En el presente trabajo se simulará un modelo desarrollado en Aspen Hysys v.11 para la
obtención de bio-butanol proveniente del residuo lignocelulósico (paja de arroz), por medio de
balances, paquetes termodinámicos instalados en el simulador que modelan reacciones químicas
con los modelos matemáticos propuestos con el propósito de identificar si es proceso es viable.
3.2. Tipos de investigación
3.2.1. Exploratoria
Esta metodología trata de comprender de qué forma se va a utilizar las propiedades de la paja
de arroz y los demás compuestos químicos utilizados como una prioridad para la obtención de bio-
butanol.
Por medio del enfoque hacia una serie de equipos que van a participar de cada parte del proceso
desde su pretratamiento hasta la fermentación ABE, en donde se requiere conocer, comprender,
analizar los resultados obtenidos del simulador.
3.2.2. Descriptiva
Se aplica este tipo de investigación con el propósito de entender el comportamiento de las
variables en el proceso para obtener biocombustible a partir de la paja de arroz. En el cual se va a
describir el método utilizado y detallar de qué manera se usa el simulador para la obtención de
datos que permitan reflejar una tendencia de que tan efectivo es el proceso.
55
3.2.3. Bibliográfica
Esta investigación se basa en referencias bibliográficas tomadas de páginas académicas, de las
cuales se obtiene información sobre la composición de la paja de arroz importantes para la
simulación en Aspen Hysys, con el fin de comprobar que tan viable es el método utilizado y
permitir dar paso a futuros estudios.
3.3. Descripción del proceso para obtener Bio-butanol a partir de la paja de arroz
En la simulación para la obtención del Bio-butanol se toma una capacidad de 272.72 Ton/h
de paja de arroz , tomando como referencia el trabajo de Meramo-Hurtado et al. (2020) .
La capacidad de 272.72 Ton/h es material lignocelulósico que debe ser tratado por un
pretratamiento, que consiste en remojar la paja, posteriormente se seca y pasa a un molino de bolas,
continúa un flujo a una unidad de hidrólisis ácida para posterior pasar hacia un reactor de pistón
donde se añade ácido sulfúrico y una corriente de vapor con el fin de hidrolizar la paja resultando
dextrosa y xilosa, estos compuestos son ingresados a un segundo reactor en donde se convierten
casi por completo , la hemicelulosa y celulosa que son los componentes principales de la paja de
arroz, corriente arriba pasa a la etapa de hidrólisis enzimática para descomponer los compuestos
en sustancias más simples utilizando la enzima viscozyme, que ingresa a un mezclador para
preparar la conversión, esta etapa es importante para la producción del biocombustible ya que la
mayoría de las bacterias o levaduras no pueden usar celulosa directamente debido a la estructura
rígida que posee la celulosa. Posterior los componentes pasan a la etapa de fermentación donde se
utiliza el hongo Saccharomyces cerevisiae, esta etapa consta de reactores y separadores donde se
produce los compuestos propios de la fermentación ABE como la acetona, butanol y etanol, por
último, se realiza varias destilaciones para separar y purificar el butanol del resto de componentes.
56
Figura 1 Diagrama de bloque del proceso de obtención de Bio-butanol
FERMENTACIÓN
Paja de arroz seca Agua
PRETRATAMIENTO
HIDRÓLISIS ÁCIDA
DESTILACIÓN
HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA
DESTILACIÓN
H2O
Furfural
CO2
Vapor Ácido sulfúrico
BIOBUTANOL
NO PURO
Saccharomyces c.
DESTILACIÓN
BIOBUTANOL PURO
Viscozyme
H2
Acetona
etanol
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
57
3.4. Consideración teórica para originar el algoritmo de Aspen Hysys
Aspen Hysys versión 11, es un software que nos permite simular procesos químicos en estado
estacionario o dinámico a nivel industriales por medio de modelos termodinámicos. Además, que
es una herramienta muy útil en la optimización de procesos ya que nos permite minimizar y evitar
pérdidas sin importar el diseño que se esté ejecutando.
1. Para empezar, se requiere conocer las propiedades de la materia, equilibrios de la reacción
y su cinética; datos que deben ser ingresados al programa, solo las materias puras se
encuentran almacenadas en la libreta de componentes con datos predeterminados. En el
caso de material lignocelulósico como el que se va a trabajar se requiere ingresar datos de
la literatura técnica de la lignina, hemicelulosa y celulosa que componen la paja de arroz.
2. En el caso de no tener ingresado los componentes de las reacciones el software no permite
el desarrollo del diagrama de flujo del proceso. El cual se inicia por partes para luego
proceder hacer las interacciones de cada equipo así nos indica (Heo & Choi, 2019).
3. Es muy importante identificar el correcto paquete termodinámico en la lista de opciones de
property Package selection los cuales son parte del programa, entre estas opciones tenemos
sistemas de CPA, Glycol Package, General NRTL, entre otros. Pero el más conveniente
para obtención de bio-butanol es el sistema NRTL.
3.5. Metodología de la simulación
3.5.1. Selección de los componentes
Aspen Hysys es una herramienta en la ingeniería química que nos permite simular procesos
químicos por medio de los componentes presentes en cada etapa del proceso ya sea de los reactivos
58
como de productos. En donde se facilita una libreta de componentes puros ya almacenados con
sus respectivas cualidades.
En el caso de la obtención de bio-butanol a partir de material lignocelulósico se requiere usar
la opción de “valores hipotéticos” que brinda el simulador, en donde se ingresa datos esenciales
de cada componente como el peso molecular (g/mol), punto de ebullición (°C) y densidad (kg/m3);
los cuales son obtenidos de papers o estudios previos.
En el proceso ingresa los componentes de la paja de arroz como lo es lignina, hemicelulosa y
celulosa, los cuales pasan por un proceso de hidrolisis acida, en donde se degradan a sustancias
más simples para después pasar a la fermentación y dar como producto es una mezcla de etanol,
acetona y butanol.
Figura 2: Componentes presentes en la obtención de Bio-butanol a partir de la paja de arroz
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
59
3.5.2. Selección del modelo termodinámico
Para escoger un modelo termodinámico de alguna reacción se debe tener en cuenta la
naturaleza de los componentes. En el caso de la obtención del bio-butanol este genera puentes de
hidrógeno (fuerzas intermoleculares muy fuerte), que aleje al proceso de las condiciones ideales.
Como este proceso es una mezcla de varios componentes escogemos un sistema Non-Random
Two-Liquid /NRTL, el cual es un modelo basado en la hipótesis de Wilson y la que mejor se ajusta
a las mezclas de multicomponentes y mezclas binarias.
Figura 3: Paquete termodinámico escogido es el sistema Non-Random Two-Liquid /NRTL
3.5.3. Reacciones químicas
Aspen Hysys trabaja con un sistema de reacciones estequiométricas para cada etapa del
proceso, para el tratamiento de la paja de arroz hasta obtener el butanol se presenta reacciones
químicas en la hidrólisis ácida, hidrólisis enzimática y la fermentación.
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
60
En el caso del reactor de la hidrólisis ácida esta cuenta con 3 reacciones de cinética en donde
se requiere la constate de cinética para cada una de las reacciones, a diferencia del reactor de la
hidrólisis enzimática y la fermentación en donde trabaja con reacciones de conversión.
Figura 4 : Elección de las reacciones cinética y de conversión
En cada reacción se debe balancear los coeficientes estequiométricos de los componentes base
hasta que nos dé un error de cero, teniendo en cuenta que a los reactivos se le debe colocar un
signo negativo para que el simulador pueda interpretar la reacción de forma adecuada, además se
debe asignar el porcentaje de conversión el cual será de 75%.
Como dato importante se debe tener presente que el valor del peso molecular de cada
componente debe ser más preciso, para obtener coeficientes estequiométricos más exactos.
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
61
Figura 5: balanceo y equilibrio de las ecuaciones químicas
3.5.31. Reacciones utilizadas en cada proceso de la obtención del bio-butanol
A.- Reacciones del Pretratamiento con ácido diluido
Numero de reacción Reacción química Reacción usada Tipo de reacción
Hemicelulosa + Agua = Xilosa Rxn-1 si Cinética
Xilosa = Furfural + Agua Rxn-2 si Cinética
Celulosa+ agua=dextrosa(glucosa) Rxn-3 si Cinética
Tabla 4 : Reacciones presentes en el Pretratamiento del ácido diluido
B.- Reacciones de la Hidrolisis enzimática
Numero de reacción Reacción química Reacción usada Tipo de reacción
Celulosa+ agua=dextrosa(glucosa) Rxn-4 si Conversión
Tabla 5: Reacciones presentes en el tratamiento con Hidrolisis enzimática
Fuente: Elaborado por auto
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez a partir de (Ruan et al., 2019)
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez a partir de (Ruan et al., 2019)
62
C.- Reacciones de la Fermentación ABE
Numero de reacción Reacción
química
Reacción
usada
Tipo de
reacción
Dextrosa = butanol + dióxido de carbono + agua Rxn-5 si Conversión
Dextrosa = butanol+ Viscozyme+ Saccharomyces cerevisiae Rxn-6 si Conversión
Dextrosa = dióxido de carbono +agua+ acetona Rxn-7 si Conversión
Xilosa = butanol +agua +dióxido de carbono+agua Rxn-8 no Conversión
Dextrosa = agua+ Viscozyme+ Saccharomyces cerevisiae Rxn-9 si Conversión
Xilosa =etanol+ dióxido de carbono Rxn-10 si Conversión
Tabla 6: Reacciones presentes en el proceso de la Fermentación ABE
3.5.4. Construir el PFD y agregar condiciones en cada flujo
En esta parte de la simulación es donde empieza a diseñar la planta de obtención del bio-
butanol por medio de cada una de las operaciones unitarias tales como reactor, mezclador,
destilador y una serie de líneas de flujos, las cuales son visibles desde la ventana de trabajo del
simulador.
Figura 6: Espacio de trabajo del diagrama de flujo del proceso para la obtención del butanol
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez a partir de (Ruan et al., 2019)
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
63
Después empezamos a colocar los nombres correspondientes a cada uno de los flujos ya sea
de entrada o salida del proceso. En donde se muestra de color azul los flujos de materia y de color
rojo a los flujos de energía., tal como lo indica la figura 6.
3.5.5. Ingresar las variables y condiciones termodinámicas en el simulador
Lo más complejo de la simulación en Aspen Hysys es agregar las condiciones de operación
para cada equipo ya que esta cuenta con varias condiciones como el flujo molar(kmol/h),
temperatura ©, flujo masico (ton/h), flujo volumétrico de líquido (m3/h) y su fracción de vapor
con la cual trabaja el equipo.
Figura 7: Variables y condiciones termodinámicas en el simulador
3.5.6. Generar reporte de los flujos
Finalmente se puede generar una hoja de reporte con todos los valores ingresados y datos
conseguidos durante el proceso, la cual puede ser exportada desde el simulador hasta una hoja de
Excel.
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
64
Figura 8: Generar y exportar reporte de resultados en Excel
Como vemos en la figura 9, se muestra una hoja de cálculo de Excel con la composición de
cada flujo en función de la fracción molar. Los valores de color azul fueron los valores que se
ingresó al sistema, a diferencia de los de color negro los cuales son generados por el simulador.
Figura 9: Excel con la función de la fracción molar de cada flujo
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
65
CAPÍTULO IV
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. Componentes presentes en la simulación
El simulador de Aspen Hysys versión 11 trabaja al igual que sus antiguas versiones, en donde
se requiere el ingresar los datos de la composición de cada material que participa en el proceso de
la simulación para la obtención del Bio-butanol.
Para las sustancias puras el simulador facilita una base de datos ya determinados, a diferencia
de la composición del residuo lignocelulósico utilizado (paja de arroz), en cual se procede a
ingresar valores de forma hipotética en el simulador.
Los datos de la composición de la paja de arroz fueron obtenidos de los apuntes de (Mohapatra
et al., 2020) en donde nos indica que esta residuo agroindustrial se compone de celulosa (32-47)
, hemicelulosa ( 19- 27 ) y lignina (5-24%).
COMPONENTE TIPO GRUPO
DEXTROSE Pure Component
CELULOSA* User Defined Hypothetical
Component ARROZ
HEMICELULOSA* User Defined Hypothetical
Component ARROZ
XILOSA* User Defined Hypothetical
Component ARROZ
LIGNINA* User Defined Hypothetical Component ARROZ
CENIZAS* User Defined Hypothetical
Component ARROZ
EXTRACTIVOS* User Defined Hypothetical
Component ARROZ
H2O Pure Component
H2SO4 Pure Component
ACETONE Pure Component
ETHANOL Pure Component
CO2 Pure Component
FURFURAL Pure Component
66
PEPTONE* User Defined Hypothetical
Component HypoGroup1
ÁCIDO BUTÍRICO* User Defined Hypothetical
Component HypoGroup1
1-BUTANOL Pure Component
VISCOZYME* User Defined Hypothetical
Component HypoGroup1
SACCHAROMYCES
CEREVISIAE*
User Defined Hypothetical
Component HypoGroup1
Tabla 7 : Componentes presentes en la obtención de Bio-butanol a partir de la paja de arroz
4.1.1. Propiedades bases de cada componente
Se requiere tener por las menos tres propiedades bases para que Aspen Hysys identifique el
componente durante todo el proceso. Entre las propiedades más recomendables está la densidad
[kg/m3], peso molecular [g/mol] y punto de ebullición [ºC].
Las demás propiedades las obtendrá el simulador por medio de interpolaciones. Estas
propiedades en la fermentación ABE son de suma importancia al momento de utilizar la
Saccharomyces cerevisiae ya que esta es la encargada de que el sustrato genere acetona, etanol y
butanol. Por ello se tomaron los datos obtenidos de los estudios de (Moreno & Cubillos Lobo,
2018) con respecto a este hongo .
Figura 10: Propiedades de los componentes del butanol
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
67
4.2. Áreas presentes en el proceso para la obtención de bio-butanol a partir de la paja de
arroz.
4.2.1. Área de pretratamiento
En esta área se maneja el proceso de acordonamiento de la paja de arroz, la cual es un residuo
lignocelulósico que se compone de celulosa y hemicelulosa que durante el proceso del
pretratamiento esta se transforma en monómeros más simples como la xilosa y la glucosa las cuales
son parte esencial para obtener una fermentación ABE.
A diferencia de la lignina la cual es un polímero complejo la cual debe ser retirada del proceso.
Se debe tener en cuenta que este polímero puede aparecer hasta después de la fermentación, pero
en poca proporción el cual se la elimina en el proceso de destilado.
Figura 11 : Esquema del pretratamiento realizado a la paja de arroz para su acondicionamiento
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
68
4.2.1.1. Mezcladores del pretratamiento
Esta operación es usada para unir componentes provenientes de varios flujos de entradas como
la de la paja de arroz, vapor y agua. También se cabe recalcar que durante el pretratamiento se usa
3 mezcladores que trabajaban a 1 atm como lo indica (Meramo-Hurtado et al., 2020) .
En donde el primer mezclador tiene una composición de paja de arroz (28C y 1 atm) con agua
(65C y 1atm) e, donde la razón de agua es de 1,83 veces mayor que a la de paja de arroz.
Figura 12 :Mezclador del flujo de alimentación del proceso trabajando a 1 atm
4.2.1.2. Datos del primer mezclador (Balance de materia y energía)
El simulador Aspen Hysys v.11 nos permite obtener datos de forma rápida con solo ingresar
tres condiciones presentes en cada flujo. Como se observa en la gráfica 13 solo bastó con ingresar
la presión, flujo másico y razón de vapor presentes en cada flujo ya se para el del agua o la paja de
arroz. Se tiene en cuenta que el agua que esta en este mezclador está en forma líquida en su ingreso
ya que se encuentra a 65CO
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
69
Figura 13 : Mezclador-1 con sus respectivos flujos para el balance de materia y energía
4.2.1.3. Composición de los flujos de entrada del proceso en el mezclador
En esta parte de la simulación es importante tener definida la composición de cada flujo, en
especial la de la paja de arroz ya que es la materia prima de la cual se quiere obtener el Bio-butanol.
Figura 14: Composición en el mezclador de alimentación
La composición de la paja de arroz en esta simulación se fue de 0.46 de celulosa, 0.28 de
hemicelulosa, 0.1720 de lignina en donde el restante forma parte de ceniza y extracto. A diferencia
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
70
que el flujo de agua solo se compone de agua y de ningún otro componente más como lo indica
los análisis realizados por (Mohapatra et al., 2020).
4.2.1.4. Reactor de flujo de pistón
Este tipo de reactor se lo utilizo como parte del tratamiento de la hidrolisis acida en donde se
requirió el ingreso de un flujo de ácido sulfúrico (12 atm) y de vapor de agua (13atm) como lo
indica (Meramo-Hurtado et al., 2020) . En las reacciones cinéticas que se generan en este tipo de
reactor se requiere conocer los coeficientes cinéticos de la celulosa, hemicelulosa y xilosa.
Como se muestra en la gráfica 15, el flujo F1 es la composición paja de arroz y agua a una
temperatura de 137.9 CO junto al vapor y al ácido sulfúrico dan paso a que se origine dextrosa y
xilosa
Figura 15 : Reactor flujo pistón (PFP-1) el cual facilita la hidrolisis ácida para producir dextrosa y xilosa
Además, que en este reactor pistón nos genera un flujo de salida de 1073 Ton/h como lo indica
en la gráfica 16. En donde se obtiene más xilosa que dextrosa, pero ambas serán usadas en el
proceso de la fermentación para la obtención de Bio-butanol.
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
71
Figura 16 : Reactor flujo pistón (PFP-1) con sus respectivas condiciones para cada flujo
4.2.1.5. Reactor CSTR (Cont.Stirred)
En este reactor por medio de la hidrolisis acida se elimina casi por completo la hemicelulosa y
la celulosa.
Por medio de este simulador en el reactor CSTR se puede asignar las reacciones de la hidrolisis
acida ya que en el caso de no asignar este solo funcionaria como un tanque separador. En la gráfica
17 vemos como en la reacción produce una cantidad de furfural la cual se va a ambos flujos de
salida acompañado de una cantidad de agua.
Figura 17 : Reactor CSTR con sus respectivos flujos que participan en la Hidrólisis ácida
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
72
4.2.2. Área de proceso de la hidrolisis enzimática y fermentación ABE
La hidrolisis enzimática es un proceso en donde se descompone o degrada los compuestos
lignocelulósicos o azucares en sustancias más simples por medio de enzimas.
Estas enzimas pueden variar según la composición de la materia que se esté trabajando, en este
caso se usa Viscozima para la degradación de componentes de la paja de arroz en compuestos
como el acetona, etanol y butanol de las cuales se obtienen concentraciones bajas.
Figura 18 :Esquema del tratamiento de la hidrolisis enzimática y la fermentación ABE
4.2.2.1. Mezcladores de la hidrolisis enzimática y fermentación ABE
En esta área del tratamiento cuenta con solo dos mezcladores que son los encargados de
mezclar el flujo de alimentación con cada uno de las enzimas y componentes que se necesitarán
para llevar a cabo la fermentación.
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
73
Figura 19 : Mezclador 5 es donde se realiza combinación del flujo de alimentación con el cultivo de S. cerevisiae
4.2.2.2. Reactor de conversión (CRV-100)
En este reactor se lleva a cabo una conversión del 89% de parte de la celulosa a dextrosa. Este
reactor de conversión cuenta con dos flujos como salidas tal como lo indica la figura 20, donde en
el flujo F13 es muy pequeño que el simulador lo marca como cero, pero en este flujo existe una
cantidad mínima de agua y trazas de furfural.
Figura 20: Reactor de conversión utilizado como parte importante de la hidrolisis ácida
Durante esta parte del proceso se trabajó con una presión de 1,5 atm y a una temperatura de
40,6 Co para su facilidad de cálculo.
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
74
4.2.2.3. Separador (V-102)
En la gráfica 21 se observa un separador ejerciendo la función de un reactor para la conversión
de xilosa y dextrosa en acetona, etanol y butanol. Compuestos no refinados y con una gran cantidad
de trazas que se las retira durante las destilaciones.
Figura 21 :Separador v-102, adaptado para la fermentación ABE
Figura 22 : Separador cuenta con un flujo de salida (FLUJO ABE) con el producto que se trata de refinar
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
75
4.2.3. Área de refinado del bio-butanol
Se debe tener presente que en este proceso participa fermentación ABE en donde se obtiene
una mezcla de acetona, etanol y butanol. Por lo cual se tiene que extraer uno por uno cada producto
ya que el punto de ebullición de estos productos es diferente, se empieza por la acetona en donde
su punto de ebullición es de 56°C para luego proceder a extraer el etanol y luego el butanol.
En el momento que se obtiene el butanol este se encuentra en una concentración baja y lo cual
se recomienda seguir destilando hasta que la concentración sea mayor. Se debe tener presente que
es muy recomendable que ya para esta parte del proceso se haya retirado cualquier otro residuo
como la lignina la cual dificulta el proceso de extracción.
Figura 23: Área de refinado del bio-butanol por medio de una serie de destiladores
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
76
4.2.3.1. Destiladores
Estos equipos vienen a aparecer después de la fermentación como lo indica la figura 21, en
donde se produce una serie de reacciones de conversión que dan paso a la formación de una mezcla
entre los residuos orgánicos con parte de la acetona, etanol y butanol. Estas se deben extraer por
medio de destiladores, en donde se empieza por el de menor punto de ebullición para luego
proceder al siguiente.
Por ello se utiliza una serie de destiladores con una variedad de platos y de presiones tanto en
los calentadores como en los condensadores, con el objetivo de tener como resultado final una
concentración de agua-butanol. Se tiene como una observación que estas destilaciones trata de
eliminar las impurezas por medio del flujo de los vertidos donde su mayor parte era agua.
A diferencia del primer destilado en donde se elimina el 95% de CO2 con ayuda de un
separador que sirve como retorno de la acetona y etanol que se destila. En la gráfica 21 vemos la
torre de destilación de la acetona, el cual es el primer componente importante para destilar después
de la fermentación, su obtención va a ser mayor que la del butanol ya que su temperatura de
ebullición es menor.
Figura 24: Serie de destiladores para el refinado del bio-butanol
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
77
Figura 25 : Esquema del proceso de la simulación para la obtención del bio-butanol a partir del residuo lignocelulósico proveniente de la paja de arroz
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
78
Tabla 8: Resultados del flujo del butanol con respecto a su fracción molar
4.2.3.2. Costos de equipos usados en la simulación
Se considero la viabilidad del diseño por medio de cada equipo que participo en el proceso de
la obtención de bio-butanol, también se tiene considera la energía gastada en el proceso y cada
material usado. En donde se quiere poder apreciar que tan factible puede ser obtener este
biocombustible ya sea por costos fijos o su punto de equilibrio.
Se debe considerar que para su viabilidad este proceso es muy costoso y lo que trata de probar
que tanto asciende el monto al usar como principal materia prima la paja de arroz.
COMPONENTES H2O/RE BUTANOL
Comp Mole Frac (Dextrose) 0 0
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 4.24E-19 3.28E-34
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 4.33E-20 9.31E-43
Comp Mole Frac (XILOSA*) 1.62E-31 4.97E-36
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 4.97E-14 6.42E-33
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.0012337 0.00000034
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 6.30E-20 1.10E-32
Comp Mole Frac (H2O) 0.86240202 0.0356
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 3.72E-28 5.83E-50
Comp Mole Frac (Acetone) 1.79E-09 5.69E-15
Comp Mole Frac (Ethanol) 0.13624414 0.0000154
Comp Mole Frac (CO2) 4.89E-37 6.31E-39
Comp Mole Frac (Furfural) 1.71E-08 2.79E-25
Comp Mole Frac (Peptone*) 5.22E-19 7.92E-35
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0.00012 0.96433
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 1.79E-09 7.94E-30
Comp Mole Frac (Saccharomyces cerevisiae*) 1.12E-07 3.78E-27
Fuente: Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
79
EQUIPOS CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO FINAL
TANQUE REACTOR TIPO CTSTR 1 51508 51508
INTERCAMBIADOR DE CALOR 3 75090 225270
TORRE DE DESTILACIÓN 3 9000000 27000000
TANQUE SEPARADOR 4 1750 7000
MEZCLADORES 5 20000 10000
BOMBA TIPO CENTRIFUGA 2 3600 7200
REACTOR FLUJO PISTÓN 2 75000 150000
REACTOR DE CONVERSIÓN 1 48550 48550
ENFRIADOR 2 70954 141908
SPLINTER 1 1350 1350
Observación: EL valor unitario de cada equipo presente en la simulación de Aspen Hysys para la
obtención del Biobutanol se tomó en referencia al costo que se encuentra en el mercado en el presente
año 2021 , entre uno de ellos es (ALABABA, n.d.) que se basa en la venta de destiladores para la
obtención de etanol , butanol.
Tabla 9 : Costos de equipos usado para la simulación del Bio-butanol
80
4.3. Análisis de resultados
La recopilación de información encontrada en artículos científicos de diversos autores
como: Devendra & Pandey (2016), Mohapatra et al. (2020), Ranjan et al. (2013), Van Hung et al.
(2020) evidenció resultados similares en cuanto a la composición de la paja de arroz, por lo tanto,
se tomó como referencia el estudio de Mohapatra et al. (2020) el cual indica que la paja de arroz,
residuo agroindustrial utilizado en el presente trabajo, posee del 32 a 47% de celulosa, 19 a 27%
de hemicelulosa y 5 a 24% de lignina, siendo estos componentes principales de este residuo.
La primera parte de la simulación se enfocó en la recopilación de información, es así como
en la tabla 7 se detallan todos los componentes que intervienen en el proceso de obtención del bio-
butanol, de estos algunos fueron seleccionados del catalogo de componentes que posee Hysys y
otros componentes principales de la paja de arroz fueron ingresados con sus respectivos datos de
densidad, peso molecular y punto de ebullición. Además, de estos datos se ingresó las reacciones
de conversión y cinética involucradas ene l proceso como se muestra en la figura 4, así también se
escogió el paquete termodinámico NRTL.
La segunda parte de la simulación consistió en la construcción del modelo, el cual se
desarrolló diseñando cada etapa del proceso con sus respectivas corrientes de entrada y salida,
además, entre los equipos y accesorios utilizados en el proceso se encuentran mezcladores,
reactores, separadores, bombas, intercambiadores de calor, como se muestra en la figura 25.
En la tabla 8 se muestra los resultados finales del flujo de bio-butanol con respecto a su
fracción molar donde se evidencia que se obtuvo el 96.4% de bio-butanol puro.
81
CAPÍTULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Se concluye que con la revisión de la literatura existente se logro definir los componentes
principales de la paja de arroz, los cuales fueron el 46% de celulosa, 28% de hemicelulosa,
17.20% de lignina y un restante que forma parte de ceniza y extracto, dichos valores se
encuentran dentro del rango establecido por los autores Mohapatra et al. (2020), mismos
que fueron tomados como referencia.
Luego del ingreso de los datos recopilados de la exhaustiva búsqueda de información de la
literatura técnica, se desarrollo el diseño del modelo en Aspen Hysys, el cual consistió en
3 etapas: área de pretratamiento, área de hidrolisis y fermentación y área de refinamiento,
tomando como materia prima la paja de arroz con una alimentación de 272.7 ton/h de
biomasa u con el cual se obtuvo el 96.4% de bio-butanol.
Finalmente, se puede concluir que las condiciones de operación tomadas del estudio de
Meramo-Hurtado et al. (2020) y que fueron usadas en el simulador “Aspen Hysys v. 11”
como son la presión, flujo masico y razón de vapor resultaron favorables para el proceso
de obtención del biocombustible liquido bio-butanol.
82
5.2. RECOMENDACIONES
Para obtener resultados adecuados de Butanol obtenido de la paja de arroz se debe conocer
de forma bibliográfica su composición y caracterización, con los cuales se puede
corroborar los datos obtenidos.
Tener en cuenta la extracción por completo de la lignina en los procesos de fermentación
ABE ya que estos perjudican el proceso porque son polímeros de difícil degradación,
causando así que el producto tenga demasiadas trazas de lignina.
Debido a que el simulador Aspen Hysys versión 11 es complejo en el momento que se
implementan una cantidad de equipos, se recomienda no hacer tantas retroalimentaciones
por cada flujo de los vertidos.
Es adecuado usar variantes de diseño en cada equipo ya que este nos da resultados con
mayor exactitud y permite adaptar las reacciones presentes en el proceso.
Es recomendable incorporar otro destilador para mayor refinado del bio-butanol en el cual
trabaje a bajas presiones menores a 1.
Es recomendable realizar una adecuada hidrolisis acida ya que en el proceso de la
fermentación de tipo ABE cuesta mucho su rentabilidad ya que factor metabólico puede
ser lento y hace que el mantenimiento celular costoso.
83
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93
ANEXOS
Tabla 9: Comparación de propiedades físicas entre combustibles convencionales y
combustibles alternativos
Combustibles convencionales y alternativos
Propiedades físicas y
químicas
Biometanol Bioetanol Bio-butanol Gasolina Diesel
Fórmula molecular C1H3OH C2H5OH C4H9OH C4 – C12 C12 – C25
Densidad a 20°C (g/ml) 0.796 0.79 0.81 0.72 – 0.78 0.82 – 0.86
Punto de ebullición (°C) 64 78 117.7 30 - 215 180 - 340
Contenido energético (MJ/L) 18.6 21.4 29.2 32 33
Viscosidad a 40° C (mm2/s) 0.58 1.08 2.63 0.4 – 0.8 1.9 – 4.1
Calor de vaporización
(MJ/Kg)
1.2 0.92 0.43 0.36 0.27
Temperatura de auto ignición
(°C)
470 434 385 300 210
Número de octano de
investigación R.O.N.
136 129 96 91 - 99 20 - 30
Número de octano en motor
M.O.N.
104 102 78 81 -89 20 -30
94
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez, adaptado de Jin et al., (2011); Liu et al.,
(2013); Maiti et al., (2016); Mishra & Dubey, (2017); No, (2019); Prasad, (2020); Yi Wang
et al., (2014)
Tabla 10: Diversas cepas y sustratos utilizados en la fermentación ABE en la producción de
Bio-butanol
Cepa utilizada Sustrato
Concentración
de bio-butanol
(g/L)
Rendimiento
(g/g de
sustrato)
referencia
Clostridium acetobutylicum
ATTC 824
Paja de caña
de azúcar
pretratada
7.4 0.36 (Pratto et al.,
2020)
Clostridium beijerinckii
P260
Paja de trigo
hidrolizado 8.09 0.19
(Qureshi,
Saha, et al.,
2008)
Clostridium acetobutylicum
ATTC 824
Paja de arroz
hidrolizada 13.8 0.23
(Tsai et al.,
2020)
Clostridium beijerinckii
BA101
Fibra de
maíz 6.4 0.138
(Qureshi,
Ezeji, et al.,
2008)
Clostridium acetobutylicum
ABE0801
Bagazo de
sorgo dulce 8.5 0.18
(Zhang et al.,
2011)
Clostridium acetobutylicum
JB200
Bagazo de
mandioca 9.7 0.22
(Lu et al.,
2012)
Clostridium
Saccharoperbutylacetonicum
N1 4
Salvado de
arroz 12 0.20
(Al-Shorgani
et al., 2012)
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
95
CONDICIONES DE LAS CORRIENTES DE PRESENTES EN LA SIMULACIÓN
CON ASPEN HYSYS PARA LA OBTENCIÓN DE BUTANOL A PARTIR DE LA PAJA
DE ARROZ
Tabla 11: Corrientes de la mezcladora 1
Unit PAJA DE ARROZ AGUA PAJA/AGUA
Vapour Fraction 0 0 0
Temperature C 28 65 60.6657074
Pressure atm 1 1 1
Molar Flow kgmole/h 1866.0003 27754.4941 29620.4944
Mass Flow tonne/h 272.72 500 772.72
Liquid Volume Flow m3/h 195.799888 501.009021 696.808909
Heat Flow kJ/h -1090960106 -7822900408 -8913860514 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 12 : Corrientes de la mezcladora 2
Unit VAPOR1 F1
F2
Vapour Fraction 1 0 0.02560679
Temperature C 180 69.2514646 143.386584
Pressure atm 8 4 4
Molar Flow kgmole/h 5550.89882 29620.4944 35171.3932
Mass Flow tonne/h 100 772.72 872.72
Liquid Volume Flow m3/h 100.201804 696.808909 797.010713
Heat Flow kJ/h -1314873648 -8893108991 -1.0208E+10 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 13: Corrientes de la mezcladora 3
Unit F5 F10 F5-1
Vapour Fraction 1 1 1
Temperature C 158.620142 40 155.368955
Pressure atm 6 4 4
Molar Flow kgmole/h 1931.46429 0 1931.46429
Mass Flow tonne/h 39.6367924 0 39.6367924
Liquid Volume Flow m3/h 38.1192034 0 38.1192034
96
Heat Flow kJ/h -463438452.8 0 -463438452.8 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 14 : Corrientes de la mezcladora 4
Unit Viscozyme F11 F12
Vapour Fraction 0 0 0
Temperature C 52.5 40 40.0591271
Pressure atm 1.5 4 1.5
Molar Flow kgmole/h 51.1945406 35859.6476 35910.8421
Mass Flow tonne/h 1.5 889.59129 891.09129
Liquid Volume Flow m3/h 1.25 827.112347 828.362347
Heat Flow kJ/h -5141295.694 -10801099669 -10806240964 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 15 : Corrientes de la mezcladora 5
Unit F15 PEPTONE saccharomyces
cerevisiae F16
Vapour Fraction 0 1 0 8.45E-05
Temperature C 29 25 8 28.9924586
Pressure atm 1 2 1 1
Molar Flow kgmole/h 34440.9313 2.79220405 5.04774527 34448.7713
Mass Flow tonne/h 875.184526 1 0.4 876.584526
Liquid Volume Flow m3/h 829.676863 1.25 0.35951825 831.286381
Heat Flow kJ/h -10851671406 -1827895.312 -982964.1632 -10854482266 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 16 : Corrientes del reactor flujo pistón 1
Unit AC. SULFÚRICO F3 VAPOR2 F4
Vapour Fraction 0 0 1 0.05088195
Temperature C 120 156.331142 286 158.620142
Pressure atm 12 7 13 6
Molar Flow kgmole/h 20.3915167 35171.3932 3025 37959.7169
Mass Flow tonne/h 2 872.72 54.4956789 929.219694
Liquid Volume Flow m3/h 1.08060792 797.010713 54.6056535 858.387571
Heat Flow kJ/h -16029226.97 -10204615078 -705367669.5 -10925810954 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
97
Tabla 17: Corrientes del reactor flujo pistón 2
Unit F8 F9
Vapour Fraction 0 0
Temperature C 40 40
Pressure atm 5 4
Molar Flow kgmole/h 35859.6475 35859.6476
Mass Flow tonne/h 889.59129 889.59129
Liquid Volume
Flow m3/h 827.112346 827.112347
Heat Flow kJ/h -10801044467 -10801099669 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 18: Corrientes del separador 1
Unit F4 F5 F6
Vapour Fraction 0.05088195 1 0
Temperature C 158.620142 158.620142 158.620142
Pressure atm 6 6 6
Molar Flow kgmole/h 37959.7169 1931.46429 36028.2526
Mass Flow tonne/h 929.219694 39.6367924 889.582902
Liquid Volume Flow m3/h 858.387571 38.1192034 820.268367
Heat Flow kJ/h -10925810954 -463438452.8 -10462372501 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 19 : Corrientes del separador 2
Unit F9 F10 F11
Vapour Fraction 0 1 0
Temperature C 40 40 40
Pressure atm 4 4 4
Molar Flow kgmole/h 35859.6476 0 35859.6476
Mass Flow tonne/h 889.59129 0 889.59129
Liquid Volume Flow m3/h 827.112347 0 827.112347
Heat Flow kJ/h -10801099669 0 -10801099669 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
98
Tabla 20 : Corrientes del separador 3
Unit F16 F17 FLUJO ABE F18-1
Vapour Fraction 8.45E-05 1 0 0
Temperature C 28.9924586 28 28 27
Pressure atm 1 1 1 1
Molar Flow kgmole/h 34448.7713 1028.13065 36711.9307 0.84745405
Mass Flow tonne/h 876.584526 44.4788176 832.133733 0.01651311
Liquid Volume Flow m3/h 831.286381 53.7729893 825.388379 0.01654261
Heat Flow kJ/h -10854482266 -396944821.4 -10288484138 -235369.5043 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 21 : Corrientes del separador 4
Unit F17 RETORNO F18 Co2-salida
Vapour Fraction 1 1 0 1
Temperature C 28 34.990443 27 27
Pressure atm 1 1.6 1 1
Molar Flow kgmole/h 1028.13065 46.550837 0.84538948 1073.8361
Mass Flow tonne/h 44.4788176 2.22253615 0.01647515 46.6848786
Liquid Volume Flow m3/h 53.7729893 2.732538 0.01650472 56.4890225
Heat Flow kJ/h -396944821.4 -15960677.08 -234795.1885 -412763244.2 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 22 : Corrientes del Reactor de conversión
Unit F12 F13 F14
Vapour Fraction 0 1 0
Temperature C 40.0591271 111.946375 111.946375
Pressure atm 1.5 1.5 1.5
Molar Flow kgmole/h 35910.8421 826.821214 34440.9313
Mass Flow tonne/h 891.09129 15.9073474 875.184526
Liquid Volume Flow m3/h 828.362347 15.671086 829.676863
Heat Flow kJ/h -10806240964 -200271493.6 -10605992463 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
99
Tabla 23 : Corrientes del Reactor CSTR
Unit F12 F13 F14
Vapour Fraction 0 1 0
Temperature C 40.0591271 111.946375 111.946375
Pressure atm 1.5 1.5 1.5
Molar Flow kgmole/h 35910.8421 826.821214 34440.9313
Mass Flow tonne/h 891.09129 15.9073474 875.184526
Liquid Volume Flow m3/h 828.362347 15.671086 829.676863
Heat Flow kJ/h -10806240964 -200271493.6 -10605992463 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 24 : Corrientes del destilador 1
Unit FLUJO ABE RETORNO DESTILADO
ABE VERTIDO1
Vapour Fraction 0 1 0 0.001990288
Temperature C 28 34.99044295 98.23979518 122.2688196
Pressure atm 1 1.6 2.35862069 2.4
Molar Flow kgmole/h 36711.9307 46.55083697 475.9174222 36189.4624
Mass Flow tonne/h 832.133733 2.222536155 15.53350073 814.3776962
Liquid Volume Flow m3/h 825.388379 2.732538003 17.82136333 804.834478
Heat Flow kJ/h -10288484138 -15960677.08 -129360430.2 -9863366043 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 25: Corrientes del destilador 2
Unit DESTILADO
ABE ACETONA VERTIDO2 ETA/BUTA
Vapour Fraction 0 1 0 0
Temperature C 98.23979518 68.69634992 144.6425167 110.3496522
Pressure atm 2.35862069 1.5 2.5 2.205882353
Molar Flow kgmole/h 475.9174222 84.18805878 13.46923562 378.2601278
Mass Flow tonne/h 15.53350073 4.817950427 0.586098939 10.12945137
Liquid Volume Flow m3/h 17.82136333 6.092164597 0.499267897 11.22993083
Heat Flow kJ/h -129360430.2 -18129649.91 -2844607.565 -105793308.9 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
100
Tabla 26 : Corrientes del destilador 3
Unit ETA/BUTA ETANOL VERTIDO3 BUTANOL NO
REFINADO
Vapour Fraction 0 1 0 4.03E-05
Temperature C 110.3496522 96.67813838 119.3564873 111.6153582
Pressure atm 2.205882353 2 2.5 2.193877551
Molar Flow kgmole/h 378.2601278 50.25197721 264.8540114 63.15413917
Mass Flow tonne/h 10.12945137 2.145954896 6.010265007 1.973231465
Liquid Volume Flow m3/h 11.22993083 2.668370255 6.31147554 2.250085039
Heat Flow kJ/h -105793308.9 -11620706.45 -74367777.61 -17839524.52 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 27: Corrientes divisor de componentes -splitter
Unit BUTANOL
NO REFINADO H2O/RE BUTANOL
Vapour Fraction 4.03E-05 0.603856992 0
Temperature C 111.6153582 117 100
Pressure atm 2.193877551 2.193877551 2.193877551
Molar Flow kgmole/h 63.15413917 51.83793857 11.3162006
Mass Flow tonne/h 1.973231465 1.134440716 0.838790749
Liquid Volume Flow m3/h 2.250085039 1.219463734 1.030621304
Heat Flow kJ/h -17839524.52 -13132535.96 -3516156.305 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
101
BALANCE DE MATERIA (COMPOSICIÓN)
Tabla 28 : Balance de materia y composición
PAJA DE
ARROZ VAPOR1
AC.
SULFÚRICO VAPOR2 F8 AGUA
AGUA NO
REUTILIZADA
Comp Mole Frac (Dextrose) 0 0 0 0 0.00301388 0 9.62E-10
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 0.46 0 0 0 0.02015002 0 0.01436223
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 0.28 0 0 0 0.00228208 0 0.00010781
Comp Mole Frac (XILOSA*) 0 0 0 0 0.01114085 0 1.52E-06
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.172 0 0 0 0.00883695 0 0.00210305
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.06 0 0 0 0.00292528 0 0.0036555
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 0.028 0 0 0 0.00145698 0 5.41E-07
Comp Mole Frac (H2O) 0 1 0 1 0.94848584 1 0.97973454
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 0 0 1 0 0.00056862 0 5.58E-07
Comp Mole Frac (Acetone) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Ethanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (CO2) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Furfural) 0 0 0 0 0.00113949 0 3.42E-05
Comp Mole Frac (Peptone*) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Saccharomyces
cerevisiae*) 0 0 0 0 0 0 0
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
102
Tabla 29 : Balance de materia y composición
F5 F6 FURF-AGUA F7 F14 F10 Viscozyme
Comp Mole Frac (Dextrose) 9.62E-10 0.00078136 2.95E-09 0.00301388 0.02181027 1.99E-14 0
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 0.01436223 0.02227337 0.01692602 0.02015002 0.00217398 0.22019182 0
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 0.00010781 0.00798732 3.45E-05 0.00228208 0.0023756 5.96E-06 0
Comp Mole Frac (XILOSA*) 1.52E-06 0.00645712 2.45E-06 0.01114085 0.01159976 1.39E-09 0
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.00210305 0.0087956 0.00186085 0.00883695 0.00918989 0.00017132 0
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.0036555 0.00291159 0.00331641 0.00292528 0.00285924 0.00255334 0
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 5.41E-07 0.00145017 4.64E-07 0.00145698 0.001517 2.62E-10 0
Comp Mole Frac (H2O) 0.97973454 0.9487277 0.97696477 0.94848584 0.94523269 0.77618293 0
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 5.58E-07 0.00056596 4.74E-07 0.00056862 0.00059204 3.50E-09 0
Comp Mole Frac (Acetone) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Ethanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (CO2) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Furfural) 3.42E-05 4.98E-05 0.00089409 0.00113949 0.00116859 0.00089463 0
Comp Mole Frac (Peptone*) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0 0 0 0.00148092 0 1
Comp Mole Frac (Saccharomyces
cerevisiae*) 0 0 0 0 0 0 0
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
103
Tabla 30 : Balance de materia y composición
F11 F13 PAJA/AGUA F1 F2 F3 F4
Comp Mole Frac (Dextrose) 0.00301388 4.35E-10 0 0 0 0 0.0007416
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 0.02015002 0.0055743 0.02897859 0.02897859 0.02440507 0.02440507 0.02187083
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 0.00228208 2.00E-05 0.01763914 0.01763914 0.01485526 0.01485526 0.00758639
Comp Mole Frac (XILOSA*) 0.01114085 3.00E-07 0 0 0 0 0.00612865
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.00883695 0.00046172 0.01083547 0.01083547 0.00912537 0.00912537 0.00845507
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.00292528 0.00777022 0.00377982 0.00377982 0.00318327 0.00318327 0.00294944
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 0.00145698 3.74E-08 0.00176391 0.00176391 0.00148553 0.00148553 0.00137641
Comp Mole Frac (H2O) 0.94848584 0.98520008 0.93700307 0.93700307 0.94694551 0.94694551 0.95030539
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 0.00056862 1.01E-07 0 0 0 0 0.00053719
Comp Mole Frac (Acetone) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Ethanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (CO2) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Furfural) 0.00113949 0.00074318 0 0 0 0 4.90E-05
Comp Mole Frac (Peptone*) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0.00023008 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Saccharomyces
cerevisiae*) 0 0 0 0 0 0 0
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
104
Tabla 31 : Balance de materia y composición
F9 PEPTONE saccharomyces
cerevisiae F15 F12 F5-1 F0
Comp Mole Frac (Dextrose) 0.00301388 0 0 0.02181027 0.00300958 9.62E-10 0
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 0.02015002 0 0 0.00217398 0.02012129 0.01436223 0
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 0.00228208 0 0 0.0023756 0.00227883 0.00010781 0
Comp Mole Frac (XILOSA*) 0.01114085 0 0 0.01159976 0.01112497 1.52E-06 0
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.00883695 0 0 0.00918989 0.00882436 0.00210305 0
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.00292528 0 0 0.00285924 0.00292111 0.0036555 0
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 0.00145698 0 0 0.001517 0.00145491 5.41E-07 0
Comp Mole Frac (H2O) 0.94848584 0 0 0.94523269 0.94713368 0.97973454 1
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 0.00056862 0 0 0.00059204 0.00056781 5.58E-07 0
Comp Mole Frac (Acetone) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Ethanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (CO2) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Furfural) 0.00113949 0 0 0.00116859 0.00113787 3.42E-05 0
Comp Mole Frac (Peptone*) 0 1 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0 0 0.00148092 0.0014256 0 0
Comp Mole Frac (Saccharomyces
cerevisiae*) 0 0 1 0 0 0 0
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
105
Tabla 32 : Balance de materia y composición
F16 F17 FLUJO ABE Co2-salida F18 F18-1 VERTIDO1
Comp Mole Frac (Dextrose) 0.02180531 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 0.00217349 4.23E-08 0.0020395 7.82E-09 4.16E-05 4.14E-05 0.0020604
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 0.00237506 4.36E-08 0.00053487 1.67E-08 3.19E-05 3.18E-05 0.00054036
Comp Mole Frac (XILOSA*) 0.01159712 1.28E-22 1.36E-18 6.44E-23 7.44E-20 0 1.37E-18
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.0091878 4.56E-06 0.0086213 3.51E-06 0.00109759 0.00109243 0.00870948
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.00285859 0.00039738 0.00267126 0.00037994 0.0006683 0.00066699 0.00267652
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 0.00151666 6.45E-08 0.00142316 1.91E-08 5.43E-05 5.41E-05 0.00143774
Comp Mole Frac (H2O) 0.94501757 0.03571743 0.89467155 0.0338042 0.93785 0.93790233 0.89931043
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 0.0005919 5.04E-11 0.00055541 5.09E-15 6.12E-08 6.11E-08 0.00056111
Comp Mole Frac (Acetone) 0 0.00682152 0.00287823 0.01867131 0.00479864 0.00478737 0.00032175
Comp Mole Frac (Ethanol) 0 0.00429988 0.01257568 0.00411147 0.00835532 0.00835126 0.01128401
Comp Mole Frac (CO2) 0 0.95006074 0.00090265 0.94048248 0.00082161 0.00082138 1.00E-30
Comp Mole Frac (Furfural) 0.00116833 2.60E-05 0.00109559 2.43E-05 0.00070288 0.00070248 0.00110572
Comp Mole Frac (Peptone*) 8.11E-05 3.20E-09 7.61E-05 1.33E-10 3.72E-06 3.71E-06 7.68E-05
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0 0.00219678 0.01570306 0.00210027 0.00382167 0.00381079 0.01510616
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0.00148058 0.00027662 0.04335021 0.00023344 0.03990465 0.03989541 0.04378032
Comp Mole Frac (Saccharomyces
cerevisiae*) 0.00014653 0.00019894 0.01290146 0.00018902 0.00184785 0.00183846 0.01302917
106
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 33 : Balance de materia y composición
DESTILADO
ABE RETORNO ACETONA VERTIDO2 ETA/BUTA
BUTANOL NO
REFINADO ETANOL
Comp Mole Frac (Dextrose) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 0.00064975 1.00E-30 1.60E-39 0.02288667 2.54E-06 3.48E-19 2.48E-34
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 0.00017042 1.00E-30 1.12E-38 0.00600272 6.68E-07 3.56E-20 8.31E-53
Comp Mole Frac (XILOSA*) 4.34E-19 1.00E-30 3.93E-42 1.53E-17 1.73E-21 1.33E-31 4.97E-56
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.00275954 1.00E-30 1.28E-36 0.08227758 0.00054221 4.08E-14 6.42E-43
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.00253212 4.00E-24 8.25E-31 2.94E-07 0.00318584 0.00101264 2.37E-28
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 0.00045338 1.00E-30 5.42E-40 0.01596994 1.77E-06 5.18E-20 1.10E-52
Comp Mole Frac (H2O) 0.62865566 0.0079661 0.01404607 0.32657517 0.77620381 0.60797202 0.11997989
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0 0 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 0.00017675 3.50E-87 7.40E-42 0.00622613 6.86E-07 3.06E-28 5.73E-50
Comp Mole Frac (Acetone) 0.17015769 0.28013597 0.96190604 2.56E-16 1.31E-08 1.47E-09 9.68E-08
Comp Mole Frac (Ethanol) 0.1120234 2.74E-05 0.02404789 5.26E-07 0.13559276 0.11183139 0.88002001
Comp Mole Frac (CO2) 1.82E-29 0.71187048 1.03E-28 7.42E-44 3.97E-37 4.01E-37 3.86E-37
Comp Mole Frac (Furfural) 0.00043225 1.06E-27 9.67E-24 0.01520644 2.36E-06 1.40E-08 1.04E-16
Comp Mole Frac (Peptone*) 2.43E-05 4.14E-28 1.14E-25 0.0008549 9.48E-08 4.28E-19 9.82E-31
107
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0.06262878 1.26E-15 1.50E-17 2.89E-07 0.07879796 0.27918383 1.47E-11
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0.01488371 1.04E-18 3.41E-24 0.52399934 6.75E-05 3.50E-09 8.15E-31
Comp Mole Frac (Saccharomyces
cerevisiae*) 0.00445228 1.01E-30 1.00E-30 8.59E-12 0.00560175 9.23E-08 8.55E-31
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 34 : Balance de materia y composición
VERTIDO3 H2O/RE BUTANOL
Comp Mole Frac (Dextrose) 0 0 0
Comp Mole Frac (CELULOSA*) 3.62E-06 4.24E-19 3.28E-34
Comp Mole Frac (HEMICELULOSA*) 9.55E-07 4.33E-20 9.31E-43
Comp Mole Frac (XILOSA*) 2.46E-21 1.62E-31 4.97E-36
Comp Mole Frac (LIGNINA*) 0.00077437 4.97E-14 6.42E-33
Comp Mole Frac (CENIZAS*) 0.0043085 0.0012337 0.00000034
Comp Mole Frac (EXTRACTIVOS*) 2.53E-06 6.30E-20 1.10E-32
Comp Mole Frac (H2O) 0.906982 0.86240202 0.0356
Comp Mole Frac (Hydrogen) 0 0 0
Comp Mole Frac (H2SO4) 9.80E-07 3.72E-28 5.83E-50
Comp Mole Frac (Acetone) 2.92E-24 1.79E-09 5.69E-15
Comp Mole Frac (Ethanol) 1.50E-05 0.13624414 0.0000154
Comp Mole Frac (CO2) 3.98E-37 4.89E-37 6.31E-39
Comp Mole Frac (Furfural) 3.37E-06 1.71E-08 2.79E-25
108
Comp Mole Frac (Peptone*) 1.35E-07 5.22E-19 7.92E-35
Comp Mole Frac (1-Butanol) 0.05981176 0.00012 0.96433
Comp Mole Frac (Viscozyme*) 9.65E-05 1.79E-09 7.94E-30
Comp Mole Frac (Saccharomyces cerevisiae*) 0.00800031 1.12E-07 3.78E-27
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
109
Tabla 35: Corrientes de energía del proceso
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 36 : Condiciones de los equipos
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Corrientes HEAT FLOW (kJ/h)
P-1 20751522.7
P-2 3367561.43
Q-100 338672466
Q-101 245677842
Q-105 245678944
Q-103 270878121
Q-108 482356326
Q-104 169288676
Q-106 -92540.9779
Q-107 2708380455
Q-109 2989677391
Q-110 4822305938
Q-111 4825216453
Q-112 29831900
Q-113 31771218.9
Q-114 1190832.26
Unit V-101 V-103 V-100 V-102 CSTR-100 CRV-100
Inlet Molar Flow (F9) kgmole/h 35859.6476 1028.13065 37959.7169 34448.7713 36028.2526 35910.8421
Vapour Molar Flow kgmole/h 0 1073.8361 1931.46429 1028.13065 0 826.821214
Liquid Molar Flow kgmole/h 35859.6476 0.84538948 36028.2526 36711.9307 35859.6475 34440.9313
Vessel Temperature C 40 27 158.620142 28 153.86218 111.946375
Vessel Pressure atm 4 1 6 1 6 1.5
Liquid Percent Level % 50 90 50 50 50 50
110
Tabla 37 : Condiciones del Reactor de conversión
Unit CRV-100
Vessel Temperature C 111.946375
Vessel Pressure atm 1.5
Vapour Molar Flow kgmole/h 826.821214
Liquid Molar Flow kgmole/h 34440.9313
Heat Flow kJ/h 0 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 38 : Condiciones de los mezcladores
Unit MEZC-1 MEZC-2 MEZC-4 MEZC-3 MEZC-5
Product Molar Flow kgmole/h 29620.4944 35171.3932 35910.8421 1931.46429 34448.7713
Product Mass Flow tonne/h 772.72 872.72 891.09129 39.6367924 876.584526
Product Volume Flow m3/h 696.808909 797.010713 828.362347 38.1192034 831.286381
Product Temperature C 60.6657074 143.386584 40.0591271 155.368955 28.9924586
Product Pressure atm 1 4 1.5 4 1 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
Tabla 39 : Condiciones de las torres de destilación
Unit T-101 T-102 T-103
Spec Value(1) 466.404504 0.97582179 96.6776878
Spec Value(2) kgmole/h 141.061185 247306.849 429666.329
Spec Value(3) 4.2381063 144.644559 0.94823458
Spec Value(4) 140.24302 1340247.07 8826.59654
Spec Calc Value(1) 2034.12958 0.97621942 96.6781384
Spec Calc Value(2) kgmole/h 80590.1775 247306.86 429683.354
Spec Calc Value(3) 10.0526284 144.642517 0.94801631
Spec Calc Value(4) 4.31486132 1340337.9 8825.33858
Spec Calc Value(5) 0.61737115 <empty> 0.56592708
Spec Error(1) 3.36129917 0.03357 9.01E-07
Spec Error(2) 570.31363 6.06E-09 9.46E-06
Spec Error(3) 1.37196232 -4.08E-06 -0.00864333
Spec Error(4) -0.96923297 0.00010286 -0.00015603
Spec Error(5) -0.75795593 <empty> 4.55174134
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez
111
Tabla 40: Energía de los enfriadores
Unit E-100 E-101
DUTY kJ/h 338672466 245678944
Feed Temperature C 153.86218 111.946375
Product
Temperature C 40 29
Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez