simulaciÓn del proceso para la obtenciÓn de …

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



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]

[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



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


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


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.


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



‘‘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


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



‘‘SIMULATION OF THE PROCESS FOR OBTAINING BIO-BUTANOL FROM

AGRO-INDUSTRIAL WASTE FROM RICE STRAW”

Authors: Juan Antonio Bailón Guevara


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



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 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 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.


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)


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


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.


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.


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 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



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.


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



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


1-BUTANOL Pure Component

VISCOZYME* User Defined Hypothetical


SACCHAROMYCES

CEREVISIAE*

User Defined Hypothetical


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



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


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


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



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.


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



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.


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.



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



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


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


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


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


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)


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)


ABE0801

Bagazo de

sorgo dulce 8.5 0.18

(Zhang et al.,

2011)


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


Mass Flow tonne/h 100 772.72 872.72


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


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


Unit Viscozyme F11 F12


Temperature C 52.5 40 40.0591271

Pressure atm 1.5 4 1.5


Mass Flow tonne/h 1.5 889.59129 891.09129


Heat Flow kJ/h -5141295.694 -10801099669 -10806240964 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez


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


Molar Flow kgmole/h 20.3915167 35171.3932 3025 37959.7169

Mass Flow tonne/h 2 872.72 54.4956789 929.219694


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


Mass Flow tonne/h 929.219694 39.6367924 889.582902


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


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


Unit F16 F17 FLUJO ABE F18-1

Vapour Fraction 8.45E-05 1 0 0

Temperature C 28.9924586 28 28 27



Mass Flow tonne/h 876.584526 44.4788176 832.133733 0.01651311


Heat Flow kJ/h -10854482266 -396944821.4 -10288484138 -235369.5043 Elaborado por Juan Bailón y Evelyn Jiménez


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


Mass Flow tonne/h 44.4788176 2.22253615 0.01647515 46.6848786


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


Temperature C 40.0591271 111.946375 111.946375

Pressure atm 1.5 1.5 1.5


Mass Flow tonne/h 891.09129 15.9073474 875.184526



99

Tabla 23 : Corrientes del Reactor CSTR

Unit F12 F13 F14


Temperature C 40.0591271 111.946375 111.946375

Pressure atm 1.5 1.5 1.5


Mass Flow tonne/h 891.09129 15.9073474 875.184526



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


Mass Flow tonne/h 832.133733 2.222536155 15.53350073 814.3776962


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


Mass Flow tonne/h 15.53350073 4.817950427 0.586098939 10.12945137



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


Mass Flow tonne/h 10.12945137 2.145954896 6.010265007 1.973231465



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


Mass Flow tonne/h 1.973231465 1.134440716 0.838790749


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


102


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 (H2SO4) 5.58E-07 0.00056596 4.74E-07 0.00056862 0.00059204 3.50E-09 0




Comp Mole Frac (Furfural) 3.42E-05 4.98E-05 0.00089409 0.00113949 0.00116859 0.00089463 0



Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0 0 0 0.00148092 0 1


cerevisiae*) 0 0 0 0 0 0 0


103


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 (H2SO4) 0.00056862 1.01E-07 0 0 0 0 0.00053719




Comp Mole Frac (Furfural) 0.00113949 0.00074318 0 0 0 0 4.90E-05



Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0.00023008 0 0 0 0 0


cerevisiae*) 0 0 0 0 0 0 0


104


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 (H2SO4) 0.00056862 0 0 0.00059204 0.00056781 5.58E-07 0




Comp Mole Frac (Furfural) 0.00113949 0 0 0.00116859 0.00113787 3.42E-05 0



Comp Mole Frac (Viscozyme*) 0 0 0 0.00148092 0.0014256 0 0


cerevisiae*) 0 0 1 0 0 0 0


105


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 (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


cerevisiae*) 0.00014653 0.00019894 0.01290146 0.00018902 0.00184785 0.00183846 0.01302917

106



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 (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


cerevisiae*) 0.00445228 1.01E-30 1.00E-30 8.59E-12 0.00560175 9.23E-08 8.55E-31



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


109

Tabla 35: Corrientes de energía del proceso


Tabla 36 : Condiciones de los equipos


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


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


simulaciÓn del proceso para la obtenciÓn de …

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