01.20 ivan cabeza - bioenergía y metabolitos a través de

X° Congreso Internacional RedBioLACFoz de Iguazú, 20 y 21 de septiembre de 2018

Bioenergía y metabolitos a través de digestión anaerobia y fermentación oscura de biomasa residual

bajo un esquema de biorefinería

Universidad EAN / Universidad Santo TomásMónica Amado, Iván Santiago, Mario Andrés Hernández, Iván Cabeza

Rojas

Contenido

1. Estado del Arte2. Justificación3. Metodología4. Resultados5. Conclusiones6. Bibliografía EVALUACIÓN DE RUTAS DE APROVECHAMIENTO DE

BIOMASA RESIDUAL BAJO EL ESQUEMA DE BIOREFINERÍAS

Los combustibles fósiles

En Julio de 2008 el precio del barril de crudo supero la barrera

de los 133,40 USD. 500% mayor que el valor del 2002

https://www.eia.gov/beta/international/data/

Panorama Internacional y

Colombiano

https://www.eia.gov/beta/international/data/browser/

Los combustibles fósiles

Se ha demostrado el impacto ambiental que ha generado las

emisiones con el uso de combustibles fósiles

Panorama Internacional y

Colombiano

International Energy Statistics. (s. f.). Recuperado 11 de diciembre de 2017, a partir de https://www.eia.gov/beta/international/data/


Biocombustibles

2010 = 540 mil barriles por día.

2016 = 628 mil barriles por día.

Sur América y Centro América


Panorama Internacional y Colombiano


Biocombustibles


Panorama Internacional y Colombiano

Se espera que la Bio-energía seconvierta en uno de losprincipales recursos energéticospara el futuro, debido a que esun recurso renovable y aportaen la disminución de emisionesde dióxido de carbono


Biocombustibles

• Producidos a partir de cultivos agrícolas destinados a la alimentación humana. Su materia prima parte del azúcar, almidón y aceite vegetal.

Bio-combustibles de primera generación

• Productos biológicos que provienen de materias primas no alimentarias, es decir biomasa lignocelulósica, como materia prima agrícola y forestal.

Bio-combustibles de segunda generación

• Producido a partir de materia prima cultivada de forma acuática (Es decir, algas).Bio-combustibles de

tercera generación

Biocombustibles segunda generación

• Digestión anaerobia

Serie de pasos que involucran reacciones que conducen a la producción de biogas

Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis


• Co-digestión anaerobiaEs la digestión simultánea de dos o más sustratos orgánicosbiodegradables

DIGESTIÓN ANAEROBIA

BIOGAS

!"#$%&'&

SUBPRODUCTOSAGV´sCarbohidratosEtanol


• Fermentación oscuraLa fermentación oscura se lleva a cabo por microorganismosproductores de hidrógeno fermentativo, como anaerobiosfacultativos y anaerobios obligados

Hidrólisis Fermentación


• Fermentación oscuraRealizada por microorganismos productores de hidrógeno,como anaerobios facultativos y anaerobios obligados

FERMENTACIÓN OSCURA

BIOGAS!"#$#

SUBPRODUCTOSAGV´sCarbohidratosEtanol

Biorefinerías

Las bio-refinerías se están desarrollando como mediotecnológico para la transición a este enfoque económico,abriendo la posibilidad de agregar valor a la biomasa a travésde un proceso sostenible

Biorefining, as per the International Energy Agency (IEA), is the “sustainable processing of biomass into a spectrum of marketable products (food, feed,

materials and chemicals) and energy (fuels, power, heat)”

Biorefinerías

Digestión Anaerobia

SUST

RATO

BIOGAS

SUBPRODUCTOS

Fermentación Oscura PR

OCES

OS F

ISIC

O-Q

UÍM

ICOS

Procesos:

SeparaciónRecuperación

De mejora de productosReutilización de subproductos

Biomasa

La agroindustria es una fuente constante de biomasa residualque generalmente no tiene ningún valor agregado durante lasactividades de cosecha o en toda la industria deprocesamiento de materias primas.

Biomasa

Antioquia 10%

Arauca14%

Huila7%

Norte de Santander 8%

Santander 45%

Total 4 departamentos

16%

PRODUCCIÓN DE CACAO 2016PRODUCCIÓN > 4.000 t

Antioquia

Arauca

Huila

Norte de Santander

Santander

Total 4 departamentos

Biomasa

Antioquia 27%

Caldas 14%

Cauca11%

Huila14%

Risaralda9%

Santander 7%

Tolima 8%

Valle del Cauca 10%

PRODUCCIÓN DE CAFÉ 2016PRODUCCIÓN > 50.000 t

Antioquia

Caldas

Cauca

Huila

Risaralda

Santander

Biomasa

Colombia ha informado un aumentoen la producción porcina significativa.Los valores reportados de cabezasregistradas ante la asociación para2015 y 2016 en el departamento deSantander son 35415 y 31265respectivamente.

Metodología

• El progreso de la investigación en bio-refinerías.• Composición y características de la biomasa residual.• Bio-refinerías en Aspen Plus®.

RevisiónBibliográfica

• Revisión bibliográfica• Análisis Elemental CHONS• HPLC - Cromatografía líquida de alta resolución• Análisis de Carbohidratos• Solidos totales, solidos volátiles.

Caracterización de la Biomasa

Metodología

• Entrada de sustratos en simulación de software• Entrada de procesos principales• Simular el proceso biológico en Aspen Plus, la digestión anaeróbica

(AD) y el proceso de fermentación oscura (DF)

Simulación de procesos

principales

• Análisis de potencial de producción de biogás para la mezcla de sustratos.

• Calculo de producción de gas metano e hidrogeno a partir de las mezclas propuestas.

• Análisis de subproductos obtenidos (Cantidad, costo, posibles usos)

Análisis de resultados

Simulación

Se eligió el modelo NRTL (Non-Random Two-Liquid model)como método de propiedades ya que correlaciona y calcula lasfracciones molares y los coeficientes de actividad dediferentes compuestos. Adicionalmente facilita los cálculos lafase líquida y gaseosa en la producción de biogás.

Simulación

Digestión anaerobia - Hidrólisis


HYDROL

MIXER

DESIGN-SPECDS-1

BIOM-HYD

CACAO

ESTIERCO

CAFE

AGUA

BIOMASS

La hidrólisis está representada por la conversión fraccional de

los reactivos en un reactor estequiométrico que funciona a

308,15 K y 1 atm.

Simulación

Digestión anaerobia – Acidogénesis…


El reactor se simuló con la condición del tiempo de residencia (21 días) y

la fracción de volumen de la fase condensada (0,6).

El proceso se simuló con un reactor de tanque agitado continuo (CSTR).

A condiciones de 1 atm y 308,15 K.

Simulación

Fermentación oscura - Hidrólisis

HYDROL

MIXER

DESIGN-SPECDS-1

BIOM-HYD

CACAO

ESTIERCO

CAFE

AGUA

BIOMASS

La hidrólisis está representada por la conversión fraccional de

los reactivos en un reactor estequiométrico que funciona a

308,15 K y 1 atm.


Simulación

Fermentación oscura - Fermentación

El proceso de fermentación se simuló mediante un reactor

estequimétrico, representada con la conversión .


DFHYDRO

B2

DFSTOIQ

S3

S4

DFGAS

DFEFLUEN

MIXER

DUPL

B3

CACAO

ESTIERCO

CAFE

AGUA

BIOMASS

S2

Caso de estudio

• Estiercol de Cerdo = • Desechos de café= • Desechos de cacao=

Reservas de Crudo

Variación de Precios

Impacto ambiental

Reference: http://www.hpssociety.info/news/inputs.html

http://www.hpssociety.info/news/inputs.html

Caso de estudio

• Estiercol de Cerdo = • Desechos de café= • Desechos de cacao=

Reservas de Crudo

Variación de Precios

Impacto ambiental

Experimentación.Simulación de Procesos◦ Balance de masa◦ Balance de energía◦ Costos operacional

Esquemas de Bio-refinerías Sostenibles

Resultados

Caracterización sustratos

0,063

0,720

0,123

0,034 0,023

0,0230,0070,007

Composición de desechos de CacaoCELLULOS

DEXTROSE

HEMECELL

INERT

PROT-INS

PROT-SOL

TRIOLEIN

TRIPALM

0,029

0,860

0,026 0,0380,022

0,022 0,001

0,001

Composición de desechos de caféCELLULOS

DEXTROSE

HEMECELL

INERT

PROT-INS

PROT-SOL

TRIOLEIN

TRIPALM

0,0750,035

0,367

0,194

0,133

0,133

0,032 0,032

Composición de Estiércol de Cerdo

CELLULOS

DEXTROSE

HEMECELL

INERT

PROT-INS

PROT-SOL

TRIOLEIN

TRIPALM

Resultados

Simulación - Digestión anaerobia

PROMEDIOml/ g SV

H3N AMMONIA 86,1272CO2 CARBON-DIOXIDE 352,8456H2 HYDROGEN 8,3254CH4 METHANE 248,8498

H2SHYDROGEN-SULFIDE 8,8950

PROMEDIO g/g SV - ADACETIC-ACID 0,0002PROPIONIC-ACID 0,1176ISOBUTYRIC-ACID 0,2247ISOVALERIC-ACID 0,0595

DEXTROSE 0,0469ETHYL-CYANOACETATE 0,1256D-XYLOSE 0,0220

Resultados

Simulación - Digestión anaerobiaPROMEDIO g/g SV - AD

ACETIC-ACID 0,0002PROPIONIC-ACID 0,1176ISOBUTYRIC-ACID 0,2247ISOVALERIC-ACID 0,0595DEXTROSE 0,0469ETHYL-CYANOACETATE 0,1256D-XYLOSE 0,0220

SUBPRODUCTOS

Promedio de Ácidos grasos volátiles33445,97 mg/l

Promedio de Etanol67,286 l/día

Promedio de CarbohidratosDextrosa – 127,543 l/día – 3916,392 mg/l

Xylosa – 47,952 l/día – 1453,305 mg/l

Resultados

Proceso Principal(AD)

Separación por membranas

Electrodialisis (ED)

Biogas

Biomasa

H2S

Sustratos

Filtro: Remoción de Agua y aceites

Ácidos GrasosVolátiles

Fermentación anaerobia

Polihidroxialcanoatos

Biomass

Subproceso 1

Subproceso 4

Hidrolisis química

Biomasa

Monosacáridos (Glucosa/Xilosa)

Subproceso 5

Hidrolisis enzimatica

Combustión

Producción de Gas de sintesis

Biogas

CO2

Gas de Síntesis

Subproceso 3Agua

Energía

Sub-proceso 2

Simulación - Digestión anaerobia

Resultados

Simulación – Fermentación oscura

COMPUESTOS CANTIDAD kg/díaCELLULOSE 46.03DEXTROSE 336.12PROPIONIC-ACID 10.70GLUTARIC-ACID 28.76TRIOLEIN 28.76ETHANOL 116.85PROTEINS 116.85FURFURAL 6.45ACETIC ACID 243.30BUTIRIC ACID 172.35

CELLULOSE22%

INERT11%

WATER21%

DEXTROSE15%

PROPIONIC-ACID10%

PROLINE3%

GLUTARIC-ACID2%

TRIOLEIN2%

ETHANOL7%

PROTEINAS7%

SUB-PRODUCTOS EN MAYOR COMPOSICIÓN

CELLULOSE

INERT

WATER

DEXTROSE

PROPIONIC-ACID

PROLINE

GLUTARIC-ACID

TRIOLEIN

ETHANOL

PROTEINAS

NOMBREPROMEDIO DFml/ g SV

AMMONIA 0CARBON-DIOXIDE 7,25HYDROGEN 10,96METHANE 0HYDROGEN-SULFIDE 0

ResultadosLos principales subproductos de valor agregado identificados enlos procesos biológicos de digestión anaerobia y fermentaciónoscura son ácidos grasos volátiles, furfural y ácido láctico. Elfurfural se utiliza principalmente como disolvente en procesos derefinación de crudo para separar aceites lubricantes y combustiblediésel. El ácido succinico podría utilizarse como bloque deconstrucción para producir productos de alto valor como el 1,4-butanodiol, el tetrahidrofurano y biopolímeros (Jansen & vanGulik, 2014) por hidrogenación directa (Choi et al., 2015). Entreellos para la producción del polibutileno succinato (PBS) unpolímero biodegradable, polioles de poliéster, plastificantes ypoliuretanos (Cukalovic & Stevens, 2008).

Resultados Simulación – Fermentación oscura




Biogas

Biomasa

H2S

Biomasa





Biomass

Subproceso 1

Subproceso 4

Hidrolisis química

Biomasa


Subproceso 5


Combustión


Biogas

CO2

Gas de Síntesis

Subproceso 3Agua

Energía

Sub-proceso 2

Fermentación Oscura (DF)

Biog

as

Sustratos





Biogas

Biomasa

H2S





Biomass

Subproceso 1

Subproceso 4

Hidrolisis química

Biomasa


Subproceso 5


Combustión


Biogas

CO2

Gas de Síntesis

Subproceso 3Agua

Energía

Sub-proceso 2


Biog

as

Sustratos

Destilación

Tamiz Molecular

Biomasa

Etanol

Subproceso 6


Hidrolisis


Biog

as

Sustratos

Destilación

Tamiz Molecular

Biomasa

Etanol

Subproceso 6

Acetogenesis Acidogénesis

Biog

as

Sub-Prudctos

Subproceso 7

Acido AcéticoAcido ButíricoAcido PropaniocoAcido PropionicoAcido LácticoAcido Fórmico

Conclusiones

La simulación muestra que los substratos de disponibilidad enel departamento de Santander, Colombia tienen un granpotencial para la generación de biogás, que pueden serutilizados en la generación de energía o nuevos productossegún las necesidades del departamento obteniendo unmáximo de 8751.184 kW.

Estos procesos dan la posibilidad de obtener ganancias en elproceso mediante la reutilización o venta de subproductos, asícomo la generación de nuevos productos.

Conclusiones• El uso de cada uno de los subprocesos en el gran esquema depende dela evaluación económica y ambiental de cada uno de ellos. Además deuna posible integración energética que permite establecer un esquemasostenible después de cada uno de los procesos principales.

• Con la energía y el potencial económico de los sustratos utilizados, esevidente que pueden pasar de la carga negativa que actualmente tienenpara la agroindustria y la cría de cerdos a una fuente de ingresospositivos o una reducción del consumo de energía, es decir, laminimización de Costos operativos. Cambiando la producción de abonoorgánico, siendo el más utilizado, y la quema de residuos por biogás,ácidos grasos volátiles o biopolímeros.

Gracias por su atenciónMónica Amado, Iván Santiago, Mario Andrés Hernández, Iván Cabeza Rojas

Universidad EAN / Universidad Santo Tomá[email protected]

[email protected]á, Colombia

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

01.20 ivan cabeza - bioenergía y metabolitos a través de

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