Aplicación de la termodinámica en la síntesis óptima de procesos químicos y biotecnológicos
Resumen
La biomasa aparece como una alternativa promisoria para la producción amigable de compuestos con importantes ventajas competitivas sobre componentes no renovables. El bio-furfural es uno de estos compuestos y actualmente se ha convertido en uno de los componentes más importantes y comúnmente utilizados en el mundo. Alternativamente, el bio-furfural ha sido utilizado como base para el desarrollo de plataformas químicas con el fin de producir otros componentes de interés industrial. Este trabajo implementa el análisis termodinámico de la producción de furfural en una biorefinería a partir de biomasa lignocelulósica. Para determinar la viabilidad económica y energética de este proceso se realizaron evaluaciones tecno-económicas de las diferentes tecnologías utilizadas en la biorefineria, además de diferentes análisis energéticos y exergéticos. Como resultado, la producción de furfural a partir de bagazo de caña de azúcar bajo el concepto de biorefinería tiene una alta viabilidad económica, además de obtener otros productos que pueden ser utilizados para incrementar el rendimiento económico de la biorefinería. Adicionalmente, se determinaron las plantas o secciones del proceso con mayores requerimientos energéticos e irreversibilidades, entre las cuales se encuentran los procesos de hidrólisis alcalina y enzimática con las más altas irreversibilidades, sin embargo, las plantas de producción de furfural y etanol tienen los más alto consumos energéticos relacionados con la etapa de reacción y separación, respectivamente.
Abstract. Biomass appears as a promising alternative to produce environmentally friendly compounds with competitive advantages over non-renewable compounds. Bio-furfural is one of these compounds, and currently has become one of the most important and commonly used worldwide compounds. Alternatively, bio-furfural has been used as a building block to develop chemical platforms in order to produce some other compounds of industrial interest. This work implements the thermodynamic analysis of furfural production in a biorefinery from lignocellulosic biomass. Techno-economic, energy and exergy are evaluated in order to determine the economic and energy viability of this process. As a result, the production of furfural from sugarcane bagasse under the biorefinery concept has high economic profitability, besides other products can be used to increase the economic performance of the biorefinery. Additionally, plant or process sections with higher energy requirements and irreversibilities are determined. Alkaline and enzymatic hydrolysis were the processes with the highest irreversibilities, however, the plants for furfural and ethanol production has the highest energy needs related to the reaction and separation stage, respectively.
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[2] J. Moncada, L. G. Matallana, and C. A. Cardona, «Selection of process pathways for biorefinery design using optimization tools: A colombian case for conversion of sugarcane bagasse to ethanol, poly-3-hydroxybutyrate (PHB), and energy», Ind. Eng. Chem. Res., vol. 52, no. 11, pp. 4132-4145,
2013.
[3] Information Handling Services (IHS. Inc), Chemical Economics Handbook, 2015.
[4] J. K. Raman and E. Gnansounou, «Furfural production from empty fruit bunch – A biorefinery approach», Ind. Crops Prod., vol. 69, pp. 371-377, Jul. 2015.
[5] V. Aristizábal M, Á. Gómez P, and C. A. Cardona A, «Biorefineries based on coffee cut-stems and sugarcane bagasse: Furan-based compounds and alkanes as interesting products», Bioresour. Technol., vol. 196, pp. 480-9, Nov. 2015.
[6] J. S. Han and J. S. Rowell, «Chemical Composition of Fibers», Paper and Composites from agrobased resources, pp. 83-134, 1997.
[7] E. Van der Heide and T. Zhang, «Method for producing furfural from lignocellulosic biomass material», 2010.
[8] W. W. Pitt, G. L. Haag, and D. D. Lee, «Recovery of ethanol from fermentation broths using selective sorption-desorption», Biotechnol. Bioeng, vol. 25, no. 1, pp. 123-131, 1983.
[9] I. I. Ahmed and A. K. Gupta, «Sugarcane bagasse gasification: Global reaction mechanism of syngas evolution», Appl. Energy, vol. 91, no. 1, pp. 75-81, 2012.
[10] R. Gerard, H. Hachisuka, and M. Hirose, «New membrane developments expanding the horizon
for the application of reverse osmosis technology», Desalination, vol. 119, pp. 47-55, 1998.
[11] J. Moncada, M. M. El-Halwagi, and C. a. Cardona, «Techno-economic analysis for a sugarcane biorefinery: Colombian case», Bioresour. Technol., vol. 135, pp. 533-543, 2013.
[12] S. C. Rabelo, N. A. Amezquita Fonseca, R. R. Andrade, R. Maciel Filho, and A. C. Costa, «Ethanol production from enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse pretreated with lime and alkaline hydrogen peroxide», Biomass and Bioenergy, vol. 35, no. 7, pp. 2600-2607, Jul. 2011.
[13] R. Morales-Rodriguez, K. V. Gernaey, A. S. Meyer, and G. Sin, «A Mathematical model for simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF) of C6 and C5 sugars», Chinese J. Chem. Eng., vol. 19, no. 2, pp. 185-191, 2011.
[14] N. Leksawasdi, E. L. Joachimsthal, and P. L. Rogers, «Mathematical modelling of ethanol production from glucose / xylose mixtures by recombinant Zymomonas mobilis», Biotechnol. Lett., vol. 23, pp. 1087-1093, 2001.
[15] I. Agirrezabal-Telleria, I. Gandarias, and P. L. Arias, «Production of furfural from pentosan-rich biomass: analysis of process parameters during simultaneous furfural stripping», Bioresour. Technol., vol. 143, pp. 258-64, Sep. 2013.
[16] J. A. Quintero, J. Moncada, and C. A. Cardona, «Techno-economic analysis of bioethanol production from lignocellulosic residues in Colombia: A process simulation approach», Bioresour. Technol., vol. 139, pp. 300-307, 2013.
[17] ALIBABA, International Prices, 2015.
[18] ICIS Pricing, International Chemical Prices, 2010.
[19] I. Dincer and M. A. Rosen, Exergy. Energy, Environment And Sustainable Development, Second Edi. Ontario, Canada, 2013.
[20] T. J. Kotas, The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Elsevier, 1985.
