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Ingeniería e Investigación

Print version ISSN 0120-5609

Ing. Investig. vol.25 no.3 Bogotá Sep./Dec. 2005

 

Estudio de la hidrólisis del bagazo con ácido sulfúrico concentrado utilizando dos variantes de una sola etapa y una sola etapa modificada para la obtención de etanol y análisis técnico-económico de dicho proceso

A study of single-step hydrolysis of bagasse with concentrated sulphuric acid for obtaining ethanol and in a modified single step and corresponding technical-economic analysis

Boutros Fouad Sarrouh,1 Josefina Jover,2 Erenio González3


1 M. Sc. Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Química-Farmacia, Universidad Central de las Villas, Cuba, e-mail: boutros_sarrouh@yahoo.com
2 Dr. Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Química-Farmacia, Universidad Central de las Villas, Cuba, e-mail: jjover@uclv.edu.cu
3 Dr. Sc. Centro de Análisis de Procesos, Facultad de Química-Farmacia, Universidad Central de las Villas, Cuba, e-mail: erenio@uclv.edu.cu


RESUMEN

En este trabajo se realiza a escala de laboratorio el proceso de hidrólisis ácida del bagazo utilizando ácido sulfúrico concentrado en una sola etapa y en una etapa modificada. En el estudio se analizó la influencia de tres variables independientes: tiempo de reacción, porcentaje de sólidos del bagazo y la temperatura sobre el proceso en una sola etapa. La máxima conversión obtenida para la hidrólisis en una etapa fue de 87,65% de azúcares fermentables utilizando ácido sulfúrico al 70%, 2% de sólidos y una temperatura de 50oC durante una hora de reacción. A partir de estos resultados se realizó el proceso modificado obteniéndose una conversión máxima de 97,5% de azúcares fermentables a una dilución del ácido al 30%. Se realizó además un análisis técnico-económico de ambas variantes partiendo de los resultados experimentales obtenidos en cada proceso; los valores fueron calculados para una futura planta con capacidad de producir 800 Hl de alcohol/día. Los índices VAN Y PRD indicaron que la hidrólisis ácida concentrada en una sola etapa (variante 1) con un VAN de 8310659.27 y un PRD de tres años es más factible que el proceso modificado (variante 2) con un VAN de 3293318.69 y un PRD de siete años.

Palabras clave: hidrólisis bagazo con ácido concentrado, etanol, costo, factibilidad económica.


ABSTRACT

This work deals with acid hydrolysis of bagasse in just one step and in a modified step using concentrated sulphuric acid. The study analysed the influence of three independent variables on the single-step process (reaction time, solid percentage of bagasse and temperature). The highest conversion obtained in single-step hydrolysis was 87.65% fermentative sugars, using 70% sulphuric acid with 2% solids at 50oC for 1 hour. The modified process was carried out based on these results; 97.5% maximum conversion of fermentative sugars was achieved using 30% acid dilution. Concentrated sulphuric acid single-stage hydrolysis of bagasse and in a single modified stage were subjected to technical-economic analysis. Starting from the results obtained experimentally of the process at laboratory level and elevated to a possible plant with a capacity to produce 800 Hl alcohol/day. VAN and PRD indices indicated that single-stage concentrated acid hydrolysis (variant 1) having 8,310,659.27 VAN and 3 year PRD was more feasible than the modified process (variant 2) having 3,293,318.69 VAN and 7 year PRD.

Keywords: bagasse hydrolysis with concentrated acid, ethanol, cost, economic feasibility.


Recibido: febrero 23 de 2005
Aceptado: octubre 14 de 2005

Introducción

La hidrólisis ácida de los lignocelulósicos ha sido la tecnología más utilizada para la obtención de azúcares fermentables, que posteriormente son convertidos a etanol (Cunningham y López, 1994, y Lope et al., 2002). Cuba cuenta con el bagazo de la caña de azúcar como su principal residuo lignocelulósico, que puede ser aprovechado para desarrollar esta tecnología (Lope et al., 2002).

Este trabajo tuvo como objetivo estudiar a escala de laboratorio la hidrólisis del bagazo en una sola etapa y en una etapa modificada utilizando ácido sulfúrico concentrado con el propósito de alcanzar una elevada conversión de bagazo a azúcares fermentables (Clausen y Gaddy, 1998, y Farone y Cuzens, 1999). Para el análisis económico del proceso de la hidrólisis del bagazo utilizando ácido sulfúrico concentrado en una sola etapa (variante 1) y una sola etapa modificada (variante 2) también se realiza un estudio del mercado, un estudio de la capacidad de la planta Perucho Figueredo, un balance de masa y energía para todos los equipos que se utilizan en el proceso de la hidrólisis ácida concentrada con el propósito de calcular el costo de los equipamientos y por lo tanto el de inversión de ambas variantes (Badger Engineers, 1989; Solar Energy Research Institute, 1998; Chem Systems, 1983; Max y Klaus, 1968) y así, llegar a hacer una comparación de la factibilidad económica de las dos variantes del proceso.

Materiales y métodos

Materia prima

El bagazo se tomó como materia prima lignocelulósica para efectuar la hidrólisis ácida concentrada. El mismo se molió hasta un tamaño de 2 mm (Cunningham y López, 1994, y Lope et al., 2002). Su humedad se determinó utilizando una estufa balanza infrarroja del tipo Sartorius y se realizaron los cálculos del porcentaje sólidos y de humedad.

Determinación de azúcares totales y porcentaje de conversión

Los azúcares totales se determinaron utilizando el método fotocalorimétrico de azúcares. Los datos para la curva de calibración de los azúcares totales se procesaron en el programa estadístico Statgraphics Plus 4.1 y la ecuación resultante del modelo ajustado de esta curva:

A partir de esta expresión en cada muestra se pudo calcular la concentración de azúcares y por tanto se determinó el % de conversión de la celulosa y hemicelulosa a azúcares fermentables según la siguiente ecuación (2):

Método hidrólisis del bagazo con ácido sulfúrico concentrado en una sola etapa

En este proceso (Cunningham y López, 1994, y Lope et al., 2002), se partió de una solución de ácido sulfúrico concentrado al 93% que se diluyó al 70%. A esta solución final se le adicionó el bagazo, se mezcló bien y se dejó reaccionar, manteniéndolo a una temperatura fija. Las muestras se tomaron a los 10 min, 20 min, 40 min, 60 min y 90 min, se filtraron y se les midió la absorbancia. Los experimentos preliminares se llevaron a cabo a tres temperaturas (30ºC, 50ºC y 70ºC) y a tres porcentajes de sólidos (2, 5 y 10%) para analizar de forma preliminar el comportamiento de estas variables sobre el proceso y luego poder aplicar un diseño experimental para realizar un análisis de tendencia.

Método hidrólisis ácida concentrada del bagazo en una sola etapa modificada

Según el análisis de tendencia realizado y los resultados obtenidos para el proceso en una sola etapa se tomaron las mejores condiciones de trabajo donde se lograron los mayores porcentajes de conversiones para realizar el proceso modificado (Cunningham y López, 1994, y Lope et al., 2002). Se preparó una solución de ácido sulfúrico concentrado al 70%, la cual fue añadida a 2 g de bagazo (2% de sólidos) y se mezclaron bien, se dejaron reaccionar, manteniendo la temperatura a 50ºC. La primera muestra se tomó a los 20 minutos y se filtró. Después de este tiempo el H2SO4 concentrado al 70% se diluyó a 40%, 35% y 30% respectivamente. Se elevó la temperatura a 80ºC y se dejó reaccionar. A los 30 min se tomó la segunda muestra para cada dilución del ácido y luego se tomaron otras a los 40 min y 60 min, se filtraron y se midió la absorbancia.

Análisis técnico-económico

Se determina trabajar 300 días al año mediante la integración material y energética del central con las plantas de derivados. Sobre la base de la disponibilidad de caña hasta el año 2006, la capacidad de la planta quedó fijada en 800 HL/día, es decir 240.000 HL/año.

Se calcula la inversión total para cada variante y se realizó un análisis de sus indicadores dinámicos con el objetivo de efectuar una comparación técnica-económica entre ambas variantes de un mismo proceso (Badger Engineers, 1989; Solar Energy Research Institute, 1998; Chem Systems, 1983; Max y Klaus, 1968).

Discusión de los resultados

Los mejores resultados en los experimentos preliminares fueron obtenidos a la temperatura de 50ºC y a bajos porcentajes de sólidos. El mayor porcentaje de conversión se obtuvo utilizando H2SO4 al 70%, 2% de sólidos en el bagazo y una temperatura de 50ºC durante 60 minutos de reacción. A partir de estos resultados preliminares se realizó un diseño factorial 2k con el propósito de efectuar un análisis de tendencia del proceso de hidrólisis en una sola etapa y estudiar la influencia de las variables sobre el porcentaje de conversión desde el punto de vista estadístico. Las tres variables de entrada (k=3) fueron la temperatura, el porcentaje de sólidos y el tiempo. La variable respuesta fue el porcentaje de conversión. Se realizaron dos réplicas para cada experimento y los resultados se procesaron en el programa Statgraphics Plus 4.1. A continuación se ofrece la matriz del diseño experimental (Tabla I):

El análisis de varianza para la conversión arrojó un coeficiente de correlación ajustado a 97.17%, para un nivel de confianza del 95%. Todas las variables independientes del proceso resultaron ser significativas, y también se obtuvo la ecuación del modelo matemático del proceso:

Ecuación 3: modelo matemático del proceso

Partiendo de este modelo matemático se realizó un análisis de las interacciones de las variables y su nivel de influencia en dicho proceso. A continuación se ofrece la Figura 1 para el análisis de la influencia de las diferentes variables (porcentaje de sólidos, temperatura, tiempo) sobre el porcentaje de conversión.

En la Figura 1 se observa que un aumento en el porcentaje de sólidos conlleva a una disminución del porcentaje de conversión, lo que puede explicarse porque a mayor cantidad de bagazo (alto porcentaje sólidos) en un volumen fijo de ácido sulfúrico se dificulta la acción del ácido para penetrar en las fibras del bagazo (Cunningham y López, 1994; Gunasekaran y Chandra, 2000). La disminución de superficie de contacto entre el ácido y el bagazo no asegura una hidrólisis efectiva del bagazo (Lope et al., 2002).

La dependencia del porcentaje de conversión con el tiempo es proporcional durante el transcurso de la reacción hasta llegar a un valor donde la conversión diminuye debido a que los productos de degradación de la glucosa comienzan a formarse. Por otra parte, en la Figura 1 se observa que la temperatura dentro del rango de trabajo (50ºC - 70ºC) tiene menor influencia que el tiempo y el porcentaje de sólidos, ya que las diferencias entre las mayores conversiones obtenidas entre 50ºC y 70ºC son relativamente pequeñas(73%-76%). A la temperatura de 70ºC la reacción se acelera, pero el porcentaje de conversión se afecta por la formación de productos de degradación de la glucosa. Los resultados obtenidos a partir de la hidrólisis ácida concentrada del bagazo en una sola etapa modificada se muestran en la Tabla 2 y en la Figura 2. Se muestran los resultados obtenidos de las tres variantes empleadas (A, B y C) partiéndose de la mejor condición obtenida en el diseño anterior (2% de sólidos, 70% de ácido sulfúrico y 50°C).

En la Tabla 2 y la Figura 2 puede observarse que a una mayor dilución de ácido sulfúrico aumenta la conversión del bagazo a azúcares totales fermentables, esto puede explicarse porque al añadir agua al proceso estamos favoreciendo la hidrólisis de los oligosacáridos de bajo peso que se forman y también se evita la repolimerización de los mismos, lo que al final se traduce en un mayor rendimiento de la hidrólisis (Gunasekaran y Chandra, 2000; Lope et al., 2002; Clausen y Gaddy, 1998; Farone y Cuzens, 1999).

Cálculo de la inversión total

La inversión total de cualquier proceso consiste en la inversión de capital fijo para equipos y facilidad en planta, además del fondo del trabajo capital que se utiliza para el pago de salarios, así como la mano de obra y otros (Badger Engineers, 1989; Solar Energy Research Institute, 1998; Chem Systems, 1983; Max y Klaus, 1968). Se seleccionó para la molienda un molino de dos rodillos, el cual es muy efectivo para la conversión de celulosa a glucosa. Como hidrolizador se tomó una batería de reactores discotinuos, en los que la fase líquida se trasvasa de reactor en reactor en contracorriente con la fase sólida (Gunasekaran y Chandra, 2000; Lope et al., 2002). La principal desventaja del proceso de la hidrólisis ácida concentrada del bagazo es la necesidad de recuperar y reciclar el ácido para viabilizar económicamente el proceso. Para este fin se utiliza un evaporador al vacío (0.5 atm) del tipo evaporador de película descendiente que puede operarse con diferencias de temperaturas muy pequeñas entre el medio de calentamiento y el líquido hirviente, y ellos también tienen tiempos de contacto de producto muy cortos, típicamente sólo unos segundos por paso (Gunasekaran y Chandra, 2000; Lope et al., 2002; Badger Engineers, 1989) teniendo en cuenta que el central azucarero Perucho Figueredo ya consta con una infrastructura adecuada para la realización de este proceso; también, con una serie de tanques, filtros, centrífugas y fermentadores que se pueden ultilizar para la fermentación de los azúcares resultantes del proceso de hidrólisis a etanol.

Después de la selección adecuada de los equipos del proceso se comienza la recopilación de datos e información necesaria para aplicar balances de masa y energía y de esta forma poder calcular los valores de las corrientes de entrada y de salida del proceso y por siguiente los volúmenes de los equipos seleccionado, con el fin de calcular sus correspondientes costos siguiendo el métodos de monografías (Solar Energy Research Institute, 1998; Chem Systems, 1983; Max y Klaus, 1968), la capacidad del equipo contra el costo, y teniendo en cuenta la actualización del índice del costo (Max y Klaus, 1968). A continuación se muestra en las Tablas 3 y 4 el valor de la inversión de las dos variantes del proceso.

Sobre la base de estos valores, los cálculos del costo de producción, como se muestra en la Tabla 5, y los cálculos de flujo de caja como se muestra en las Figuras 3 y 4 para ambas variantes, se obtuvieron los siguientes resultados.

- Para la Variante 1: VAN = 8310659.27, TIR = 60% y PRD = 3 años.

- Para la Variante 2: VAN = 3,293318.69, TIR = 25% y PRD = 7 años

Conclusiones

Cuando se realiza la hidrólisis del bagazo empleando ácido sulfúrico concentrado al 70% en una sola etapa, se obtienen los mejores resultados con 2% de sólidos a 50ºC y hasta 60 min de reacción.

Con el proceso de hidrólisis ácida del bagazo en una sola etapa modificada, se obtienen mayores porcentajes de conversiones en azúcares fermentables que en el proceso de una sola etapa.

Los mejores porcentajes de conversiones de bagazo a azúcares fermentables se logran cuando se utiliza el proceso de una sola etapa modificado con la dilución del ácido sulfúrico concentrado de 70% a 30% con un aumento de la temperatura de 50ºC a 80ºC y con un tiempo de reacción hasta completar una hora.

Los grandes volúmenes de equipos que se utilizan en el proceso modificado de la hidrólisis ácida concentrada en una sola etapa para efectuar la hidrólisis del bagazo hacen que el proceso sea más costoso que el proceso de una sola etapa a pesar de su mejoramiento del % de conversión a azúcares fermentables.

Bibliografía

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