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X° Congreso Internacional RedBioLACFoz de Iguazú, 20 y 21 de septiembre de 2018
Bioenergía y metabolitos a través de digestión anaerobia y fermentación oscura de biomasa residual
bajo un esquema de biorefinería
Universidad EAN / Universidad Santo TomásMónica Amado, Iván Santiago, Mario Andrés Hernández, Iván Cabeza
Rojas
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Contenido
1. Estado del Arte2. Justificación3. Metodología4. Resultados5. Conclusiones6. Bibliografía EVALUACIÓN DE RUTAS DE APROVECHAMIENTO DE
BIOMASA RESIDUAL BAJO EL ESQUEMA DE BIOREFINERÍAS
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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
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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/
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Biocombustibles
2010 = 540 mil barriles por día.
2016 = 628 mil barriles por día.
Sur América y Centro América
https://www.eia.gov/beta/international/data/
Panorama Internacional y Colombiano
![Page 6: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/6.jpg)
Biocombustibles
https://www.eia.gov/beta/international/data/
Panorama Internacional y Colombiano
Se espera que la Bio-energía seconvierta en uno de losprincipales recursos energéticospara el futuro, debido a que esun recurso renovable y aportaen la disminución de emisionesde dióxido de carbono
![Page 7: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/7.jpg)
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
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Biocombustibles segunda generación
• Digestión anaerobia
Serie de pasos que involucran reacciones que conducen a la producción de biogas
Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis
![Page 9: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/9.jpg)
Biocombustibles segunda generación
• Co-digestión anaerobiaEs la digestión simultánea de dos o más sustratos orgánicosbiodegradables
DIGESTIÓN ANAEROBIA
BIOGAS
!"#$%&'&
SUBPRODUCTOSAGV´sCarbohidratosEtanol
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Biocombustibles segunda generación
• Fermentación oscuraLa fermentación oscura se lleva a cabo por microorganismosproductores de hidrógeno fermentativo, como anaerobiosfacultativos y anaerobios obligados
Hidrólisis Fermentación
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Biocombustibles segunda generación
• Fermentación oscuraRealizada por microorganismos productores de hidrógeno,como anaerobios facultativos y anaerobios obligados
FERMENTACIÓN OSCURA
BIOGAS!"#$#
SUBPRODUCTOSAGV´sCarbohidratosEtanol
![Page 12: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/12.jpg)
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)”
![Page 13: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/13.jpg)
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
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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.
![Page 15: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/15.jpg)
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
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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
![Page 17: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/17.jpg)
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.
![Page 18: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/18.jpg)
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
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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
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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.
![Page 21: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/21.jpg)
Simulación
Digestión anaerobia - Hidrólisis
Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis
HYDROL
MIXER
DESIGN-SPECDS-1
BIOM-HYD
CACAO
ESTIERCO
CAFE
AGUA
BIOMASS
La hidrólisis está representada por la conversión fraccional de
los reactivos en un reactor estequiométrico que funciona a
308,15 K y 1 atm.
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Simulación
Digestión anaerobia – Acidogénesis…
Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis Metanogénesis
El reactor se simuló con la condición del tiempo de residencia (21 días) y
la fracción de volumen de la fase condensada (0,6).
El proceso se simuló con un reactor de tanque agitado continuo (CSTR).
A condiciones de 1 atm y 308,15 K.
![Page 23: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/23.jpg)
Simulación
Fermentación oscura - Hidrólisis
HYDROL
MIXER
DESIGN-SPECDS-1
BIOM-HYD
CACAO
ESTIERCO
CAFE
AGUA
BIOMASS
La hidrólisis está representada por la conversión fraccional de
los reactivos en un reactor estequiométrico que funciona a
308,15 K y 1 atm.
Hidrólisis Fermentación
![Page 24: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/24.jpg)
Simulación
Fermentación oscura - Fermentación
El proceso de fermentación se simuló mediante un reactor
estequimétrico, representada con la conversión .
Hidrólisis Fermentación
DFHYDRO
B2
DFSTOIQ
S3
S4
DFGAS
DFEFLUEN
MIXER
DUPL
B3
CACAO
ESTIERCO
CAFE
AGUA
BIOMASS
S2
![Page 25: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 29: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/32.jpg)
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).
![Page 33: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/33.jpg)
Resultados Simulación – Fermentación oscura
Proceso Principal(AD)
Separación por membranas
Electrodialisis (ED)
Biogas
Biomasa
H2S
Biomasa
Filtro: Remoción de Agua y aceites
Ácidos GrasosVolátiles
Fermentación anaerobia
Polihidroxialcanoatos
Biomass
Subproceso 1
Subproceso 4
Hidrolisis química
Biomasa
Monosacáridos (Glucosa/Xilosa)
Subproceso 5
Hidrolisis enzimatica
Combustión
Producción de Gas de sintesis
Biogas
CO2
Gas de Síntesis
Subproceso 3Agua
Energía
Sub-proceso 2
Fermentación Oscura (DF)
Biog
as
Sustratos
![Page 34: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/34.jpg)
Resultados Simulación – Fermentación oscura
Proceso Principal(AD)
Separación por membranas
Electrodialisis (ED)
Biogas
Biomasa
H2S
Filtro: Remoción de Agua y aceites
Ácidos GrasosVolátiles
Fermentación anaerobia
Polihidroxialcanoatos
Biomass
Subproceso 1
Subproceso 4
Hidrolisis química
Biomasa
Monosacáridos (Glucosa/Xilosa)
Subproceso 5
Hidrolisis enzimatica
Combustión
Producción de Gas de sintesis
Biogas
CO2
Gas de Síntesis
Subproceso 3Agua
Energía
Sub-proceso 2
Fermentación Oscura (DF)
Biog
as
Sustratos
Destilación
Tamiz Molecular
Biomasa
Etanol
Subproceso 6
![Page 35: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/35.jpg)
Resultados Simulación – Fermentación oscura
Hidrolisis
Fermentación Oscura (DF)
Biog
as
Sustratos
Destilación
Tamiz Molecular
Biomasa
Etanol
Subproceso 6
Acetogenesis Acidogénesis
Biog
as
Sub-Prudctos
Subproceso 7
Acido AcéticoAcido ButíricoAcido PropaniocoAcido PropionicoAcido LácticoAcido Fórmico
![Page 36: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/36.jpg)
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.
![Page 37: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/37.jpg)
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.
![Page 38: 01.20 Ivan Cabeza - Bioenergía y metabolitos a través de](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052813/628fa11dfa08754ea033f140/html5/thumbnails/38.jpg)
Gracias por su atenciónMónica Amado, Iván Santiago, Mario Andrés Hernández, Iván Cabeza Rojas
Universidad EAN / Universidad Santo Tomá[email protected]
[email protected]á, Colombia