ESTUDIO DE LAS ETAPAS DE FERMENTACIÓN Y DESTILACIÓN CON MEMBRANAS

ACOPLADAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL EN CONTINUO UTILIZANDO

EXPERIMENTACIÓN Y SIMULACIÓN

Elizabeth Chamorro Morales1 Eduardo Luis Sánchez Tuirán 2 Carlos Jesús Muvdi Nova 3

1. Estudiante de pregrado de Ingeniería Química. Universidad de San buenaventura seccional Cartagena. Calle Real de Ternera, Diagonal 32 # 30-966. Tel: 6531800. elichamor12@hotmail.com

2. Profesor Universidad de San buenaventura seccional Cartagena. Calle Real de Ternera, Diagonal 32 # 30-966. Tel: 6535555. esanchezusbctg@gmail.com

3. Profesor Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga Cra. 27 Calle 9. Tel: 6344000. cjmuvdi@uis.edu.co.

Recibido 11 de Junio de 2014. Aceptado 15 de Junio de 2014

Received: June 11th, 2014 Accepted: June 15

th, 2014

RESUMEN

La producción de biocombustibles durante la última década ha incrementado por la búsqueda de fuentes energéticas amigables con el medio ambiente. El etanol es el biocombustible de mayor producción a nivel mundial; sin embargo, las técnicas de obtención y los efectos de inhibición por producto durante la fermentación alcohólica hacen que sea poco rentable en comparación con la producción de combustibles fósiles. Por medio de esta investigación se estudiaron las etapas de fermentación batch y fermentación en continuo utilizando destilación con membranas modo gas de arrastre como posible solución a la problemática de inhibición por producto, para incrementar la concentración de etanol y cantidad de solución obtenida en el permeado. Los datos obtenidos para la fermentación en continuo con caudal de arrastre utilizando aire ambiente a 1500mL/min presentaron mejores resultados en cuanto a permeabilidad (140g/h promedio) y concentración de etanol (8% p/p promedio), por consiguiente, estos datos fueron utilizados para realizar la simulación en Aspen PlusTM V8.4 Palabras clave: Biocombustibles, inhibición por producto, permeabilidad, destilación con membranas, simulación.

STUDY OF STAGE FERMENTATION AND DISTILLATION IN COMBINATION WITH

MEMBRANES FOR ETHANOL PRODUCTION USING CONTINUOUS EXPERIMENTATION AND

SIMULATION.

ABSTRACT

Biofuel production has increased over the past decade because it is a friendly energy for the

environment. Ethanol is the largest biofuel produced worldwide, but production techniques and

product inhibition effects during alcohol fermentation prevent possible compete with fossil fuel

production. Through this research stage of batch fermentation and continuous fermentation, we can

use the membrane distillation using entraining gas as a solution to the problem of product inhibition,

to increase the ethanol concentration and amount of the solution obtained in the permeate is

2

analyzed. The data obtained for the continuous fermentation with 1500mL/min drag flow showed

better results in terms of diffusion (140g/h average) and the concentration of ethanol (8% p/p

average), therefore, these data were used for simulations in Aspen PlusTM V8.4

Keywords: Biofuels, product inhibition, permeability, membrane distillation simulation.

1. INTRODUCCIÓN

La producción y consumo de biocombustibles a nivel mundial se ha incrementado durante la

última década como fuente de energía renovable que apuesta por la mitigación de los efectos de

los combustibles fósiles y el mejoramiento de las prestaciones económicas en las zonas rurales.

Entre los biocombustibles más prometedores se encuentra el alcohol etílico, bioetanol o etanol,

procedente de la fermentación de los azúcares. Este biocombustible se ha convertido en uno de

los principales componentes de la gasolina para cumplir con las reglamentaciones ambientales

establecidas en las leyes 693 de 2001 y 788 de 2002 [1].

El 95% de las industrias del mundo obtienen bioetanol en solución a partir de la fermentación de

azúcares [2]. Lo cual implica el desarrollo de varios procesos tales como: pre-tratamiento de la

materia prima, hidrólisis de polisacáridos, fermentación de hidratos de carbono, recuperación y

deshidratación. La técnica convencional usada para la producción del bioetanol es la fermentación

por lotes la cual, a través de un proceso de destilación en serie con altos consumos de tiempo y

energía, permite lograr una separación entre el 40- 50% y posteriormente al 96% en volumen [3],

con la desventaja que la acumulación de productos durante el proceso de fermentación impiden la

transformación total de la materia prima en etanol. Es así como se ha establecido que para

competir con la industria de combustibles fósiles existentes y ser comercialmente viable, el costo

de la producción del bioetanol debe ser reducido.

La mayor limitación del proceso convencional de producción de bioetanol por fermentación de

azúcares proviene de la inhibición por producto, es decir, se presenta una disminución de la

velocidad de producción de bioetanol, debido a la presencia del mismo. Este fenómeno ocurre

normalmente cuando la concentración de bioetanol alcanza 12% en volumen [4]. A esta

concentración de alcohol etílico, la densidad celular dentro del fermentador empieza a decaer y el

azúcar no puede ser transformado completamente. Sin embargo, esta situación se puede superar

a través de la integración de los procesos de fermentación y separación del producto en continuo.

Conviene resaltar que, a través de técnicas alternativas de separación como destilación al vacío,

extractiva, pervaporación, destilación con membranas, entre otras, se pueden lograr resultados

favorables. Entre las anteriores técnicas se destaca la destilación con membranas (DM) la cual

consiste en la separación mecánica de la mezcla bioetanol-agua procedente del caldo de

fermentación utilizando como fuerza impulsora la diferencia de presiones parciales de vapor entre

los lados de la membrana [5]. La DM tiene sus primeros reportes científicos desde la década de los

años sesenta [6]. No obstante, este tipo de separación se ha llevado a cabo principalmente por

lotes, puesto que los múltiples estudios desarrollados para acoplar la fermentación y DM aun

presentan falencias que impiden el escalamiento a nivel industrial.

En este proyecto de investigación se estudiaron las etapas de fermentación y destilación con

membranas acopladas para la producción de etanol en continuo a fin de reducir el efecto de

inhibición por producto removiendo continuamente el etanol obtenido de la fermentación

alcohólica. La acumulación de etanol en el caldo de fermentación contribuye a que la membrana

permita el paso de protones que inhiben la actividad de las enzinas ATpasa la cual se encarga de

mantener la homeostasis del pH de las células de levadura. Por consiguiente las células se

encuentran en la obligación de consumir más energía para mantener la homeostasis del pH, hasta

que el equilibrio entre la entrada pasiva de electrones y expulsión por la actividad de la bomba de

protones ATpasa no pueda ser mantenido, dando lugar a la muerte de las células [7].

Posteriormente, se desarrolló una simulación en Aspen PlusTM V 8.4 de los procesos acoplados

de fermentación y separación utilizando destilación con membranas. Se comparó la técnica

implementada con la fermentación convencional desde el punto de vista de proceso. La

información experimental se obtuvo en el laboratorio CICTA (Centro de Investigación en Ciencia y

Tecnología de Alimentos) - UIS Guatiguará y la simulación se realizó en las salas de informáticas

de la Universidad de San Buenaventura seccional Cartagena.

2. MATERIALES Y MÉTODOS Para el desarrollo de la investigación se establecieron tres etapas: fermentación batch, integración

de los procesos de fermentación y separación de con membranas en continuo y simulación en

Aspen PlusTM V 8.4 del proceso integrado de fermentación y separación con membranas.

La fermentación batch se realizó con el objetivo de obtener datos cinéticos del cultivo que

permitieran estimar tiempos de alimentación para la segunda etapa y tiempos de mayor

productividad de etanol. Posteriormente se realizaron comparaciones entre la fermentación

convencional y el proceso integrado Fermentacion- Separación en continuo utilizando destilación

con membranas desde el punto de vista de proceso. Las condiciones de operación establecidas

para la fermentación batch se estimaron de acuerdo a la literatura consultada [8],[9]. En la Figura

1 se observa un esquema del piloto utilizado para desarrollar la fermentación batch.

En el medio de cultivo se disolvieron 1 g de sulfato de amonio J.T.Baker ref. 0792-01, 1 g de

fosfato de potasio monobásico Merck ref. 1.04873.1000 y 100 g de sacarosa pulverizada comercial

en 1L de agua destilada. El medio de cultivo fue esterilizado a 121°C por 15 minutos en un

autoclave marca SANYO modelo MLS-3751. En este proceso se evaporó aproximadamente el

10% de medio de cultivo, por consiguiente se observó un leve aumento de la concentración de

sacarosa en la solución. Después de enfriada la solución se agregaron 5 g de Saccharomyces

cerevisiae (levadura liofilizada Marca Angel).Posteriormente se procedió a ajustar el pH a 4 con

una solución de HCl 0.5 N.

El protocolo para la estimación de masa seca se realizó de acuerdo a la normatividad NTC-ISO

1725:2005. Para este proceso una muestra de 9 mL de fermento previamente pesada fue

4

centrifugada a 3500 rpm durante 20 min y 25°C (centrifuga Thermo Scientific, MEGAFUGE

HERAEUS 16R). La biomasa obtenida se lavó y centrifugó tres veces con agua destilada para

eliminar los compuestos solubles, luego se depositó en una caja de Petri que fue secada al horno

a 130 °C ±3°C durante 1 h. La muestra también se secó durante 1 h a 130°C, se llevó a un

desecador por 50 min y finalmente fue pesada

El consumo de sustrato en el caldo de fermentación se cuantificó utilizando un refractómetro

HAND REFRACTÓMETER FISHER 0160CDP. Se tomó 1 mL del sobrenadante obtenido en el

proceso de centrifugación, posteriormente se filtró (Millipore Millex-HV. Hydrophilic PVDF 0.45

μm) para eliminar la turbidez en la muestra, se depositó en un frasco Eppendorf y se calentó en

un baño de maría durante 5 min a 50°C, luego se dejó enfriar hasta temperatura de ambiente. Se

agregaron 40 μL de la muestra en el prisma del refractómetro ubicándose en dirección a la luz

para determinar su concentración en ° Bx.

El análisis de etanol en la primera etapa se desarrolló utilizando un cromatografo (GC) Agilent

Technologies 7890A, equipado con una columna de 30 m x 25 mm x 0.25 μm Agilent J& WHP-

5MS y una fase estacionaria de 5% fenil-metil polisiloxano. El inyector utilizado, Split- splitles se

mantuvo a una relación de 100:1. Se tomó una muestra de1 μL inyectada manualmente con una

jeringa HAMILTON de 5μL, la cual se lavó previamente entre cada inyección. La temperatura del

horno, columna e inyector fueron inicialmente de 50°C/min posteriormente se elevó a una

velocidad de 7 °C/min hasta 100°C/min dando una corrida total de 9 min y 1 s El gas de arrastre

utilizado fue el helio a una presión constante 7.84 psi equivalente a 104.03 mL/min. El tiempo de

retención del etanol fue de 1.54 min equivalentes a 54°C. Para desarrollar la cuantificación se

utilizó el Software CHEMSTATION versión 5975-5.02.04

La cuantificación y viabilidad de levaduras se realizó a través de una cámara Improved Neubauer

deep 1/10mm BRIGHT- LINE BOECCO Germany. Para este proceso se tomó una alícuota de 1

mL de medio de cultivo y se adicionó 9 mL de azul de metileno 0.01% p/V. La contabilidad de las

levaduras se desarrolló agregando 10 μL de de la muestra preparada (1 mL de medio de cultivo y

se adicionó 9 mL de azul de metileno 0.01% p/V) en la cámara y se dispone a enfocar en el

microscopio hasta 400x. La fórmula implementada para determinar la concentración celular se

establece según las dimensiones de la cámara y el número de levaduras contadas por cuadros.

Figura. 1. Piloto para la fermentación batch.

En la segunda experimentación se integraron las etapas de fermentación para la producción de

etanol y separación con membranas de fibra hueca con gas de arrastre (ver figura 2). El aire como

gas de arrastre fue suministrado por PRAXAIR, 24ppm humedad. Esta segunda etapa se realizó

con el objetivo estudiar la integración de los procesos de fermentación y separación en continuo a

fin de reducir el efecto de inhibición por producto removiendo continuamente el etanol obtenido en

el caldo de fermentación e incrementar se productividad. Para esta etapa se evaluó el crecimiento

de biomasa, consumo de sustrato, concentración de etanol en el caldo de fermentación y

viabilidad celular de acuerdo a las especificaciones realizadas en el primer experimento. La

permeabilidad se determinó a partir de la masa de solución (etanol- agua), obtenida cada 12 h y la

concentración de etanol en el permeado se determinó por índice de refracción. En la tabla 1 se

muestran los equipos utilizados en el montaje de fermentación batch y en continuo.

Figura. 2. Piloto para la fermentación continuo.

N° EQUIPOS EN COMUN PARA

Fig. 1 Y 2

N° EQUIPOS Fig. 2

1 Bioreactor 4 Membrana de fibra hueca

2 Bomba peristáltica 5 Condensador serpentín

3 Rotámetro para líquidos 6 Cilindro de aire

Tabla 1. Equipos que conforman el piloto de Fermentación Batch y en continuo

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se estableció que la concentración de levadura en el proceso de fermentación batch y en continuo

seria de 5 g/L a partir de los resultados obtenidos en el artículo de Gryta et al. (2001), donde las

conclusiones obtenidas al variar dicha concentración en el medio de cultivo demostraron que se

puede lograr una eficiencia del 90% de la producción de etanol en el periodo inicial, pero después

6

de 10 h decrece rápidamente. Sin embargo para la fermentación en continuo la eficiencia aumenta

progresivamente a menor concentración de levadura. Es importante resaltar que la concentración

de levadura en la fermentación puede presentar efectos de colmatación en la membrana

restringiendo el transporte de etanol y agua.

Los estudios realizados por Frohmana et al. (2013) muestran que la concentración de sacarosa en

el caldo de fermentación causa un estrés osmótico que responde al incremento de la formación de

subproductos como ácido acético, glicerol y acetaldehído además del incremento en la presión

parcial del etanol debido al coeficiente de actividad. Sin embargo al manejar concentraciones de

sacarosa que no exceda del 10%, el incremento de la presión parcial del etanol y efectos

osmóticos se considera insignificante. Para las dos etapas establecidas en el proyecto se estipuló

una concentración de sacarosa pulverizada comercial del 100 g/L de acuerdo a las

recomendaciones planteadas en la bibliografía.

En relación al pH cada microorganismo tiene un rango dentro del cual se hace posible su

crecimiento y aun en intervalos limitados un aumento de 1 a 1.5 unidades puede cambiar su

metabolismo. En general las levaduras crecen en un pH de 3 a 6, sin embargo, según los estudios

realizados por Galvis, (2009) se reporta que el crecimiento de levaduras se da más rápido que en

las bacterias a bajos valores de pH ofreciendo la ventaja de operar una fermentación alcohólica

evitando contaminación. En razón a lo anterior se decide escoger un valor de pH de 4 que es más

cercano al mínimo.

El sistema de recirculación magnética y bomba peristáltica a 0.5 gal/min se desarrollaron en la

fermentación batch y en continuo. En la fermentación batch fue necesario desarrollar un proceso

de recirculación bomba peristáltica para establecer los mismos parámetros que se desarrollaron

en el sistema en continuo, y la agitación magnética se estableció en ambas etapas para impedir

la sedimentación de las levaduras. Se decidió trabajar con el mínimo caudal suministrado por la

bomba para evitar lisis celular.

La temperatura establecida para la fermentación batch fue de 40°C, si bien no es la óptima dentro

de las cuales las levaduras pueden crecer fácilmente, se decidió trabajar con esta temperatura

sabiendo que se podía favorecer la etapa en continuo por el incremento del flux de permeado ver

[10]. Para la fermentación en continuo se decide trabajar con temperatura de alimentación a la

membrana de 30 y 40°C, con el propósito de analizar su influencia con el flux de permeado y

realizar comparaciones con los datos obtenidos por Cotamo, (2012). A su vez se estableció un

flujo de arrastre de 20 cm3/min como se reporta en Cotamo, (2012).

En el sistema en continuo se trabajó con una membrana suministrada por liqui-Cell® con las

siguientes características:

MINIMODULO DE MEMBRANA 1.7x5.5DE FIBRA HUECA

CARACTERISTÍAS VALORACIÓN

Material de la membrana Polipropileno

Número de fibras 7400

Diámetro de poro [μm ] 0.3

Porosidad [%] 40

Tortuosidad 3.92

Diámetro interno- fibra [mm] 0.22

Diámetro externo- fibra [mm] 0.3

Longitud de la fibra [mm] 120

Diámetro interno del Shell [mm] 43

Área de superficie de contacto [m2] 0.58

Tabla 2. Características de la membrana de fibra hueca utilizada para la integración del proceso

de fermentación y separación en continuo.

Es importante destacar no fue posible realizar duplicados de los datos obtenidos ni

experimentación batch a 30°C, puesto que se presentaron inconvenientes técnicos e

incumplimiento por parte de los proveedores y el tiempo estipulado para el desarrollo de toda la

parte experimental (incluyendo duplicados) no fue suficiente.

Los resultados obtenidos en la medición de °Bx, como indicativo para determinar el consumo de

sustrato en las etapas 1 y 2 respectivamente, se muestran en la figura 3. Cabe resaltar que la

experimentación batch se llevó a cabo durante 80 h a 40°C, mientras que la fermentación en

continuo tuvo una duración de 108 h en las condiciones 30 y 40°C a un flujo de aire de 20 cm3/min.

En la figura 3 se pueden observar las tendencias de consumo de sustrato para la fermentación

batch y las fermentaciones en continuo variando la temperatura. Los datos presentados en la

gráfica para la experimentación batch indican que el mayor consumo de sacarosa pulverizada se

realizó durante las primeras 20 h. (4.6°Bx consumidos), por lo que se espera que en este periodo

de tiempo se produzca la mayor cantidad de etanol. Posteriormente el consumo de sacarosa

disminuyó hasta alcanzar una concentración de 4.4°Bx donde se asume el tiempo final de

fermentación. Solo el 54% de sacarosa pulverizada fue consumida por la levadura en la

fermentación batch. A estos resultados se atribuye la lisis y el estrés celular ocasionado por la

recirculación de la bomba peristáltica, puesto que la concentración de etanol alcanzada en el

medio de cultivo no excede la de inhibición.

Los datos obtenidos en la segunda etapa se empezaron a registrar a partir de las 12 h (las

primeras 5 h de fermentación se desarrollaron en modo batch para dar tiempo a los

microorganismos de producir etanol, después de las 5 h se inició la fermentación modo continuo y

pasada 12 h se inició a ajustar los parámetros establecidos). Para la experimentación a 30°C se

suministró una cantidad de 30 ±10 g de sacarosa cada 12 h. y 15±10 g para 40°C, diluidas hasta

alcanzar el volumen inicial en el bioreactor. En la experimentación a 30°C se observa un

crecimiento progresivo en la concentración de sacarosa en el medio de fermentación, sin embargo

a partir de las 80 h el consumo de sacarosa comienza a estabilizarse hasta alcanzar una

concentración de 9°Bx a 108 h.

En la experimentación a 40°C se observa la misma tendencia que en la gráfica de 30°C, aunque el

consumo de sustrato en su mayoría fue menor; esto se debe principalmente a que el aumento de

8

la temperatura acelera la velocidad de fermentación y por lo tanto los componentes de inhibición

(no solo el etanol) producidos, además, esta temperatura no es la óptima para el desarrollo de la

Saccharomyces cerevisiae [11]. Sumado a lo anterior, el flujo de aire utilizado para arrastrar los

vapores no fue suficiente dentro de la membrana y parte del permeado se condensaba dentro del

módulo haciendo ineficiente el proceso de separación, lo que contribuyó a la acumulación de

etanol en el fermento.

Los datos experimentales observados en las gráficas para Las fermentaciones continuas y

fermentación batch presentan que durante las primeras 20 horas los microorganismos

consumieron la mayor cantidad de alimento (4.6°Bx para F. Batch, 3°Bx para F. Continua 40°C y

2.8°C para F. Continua a 30°C), en consecuencia la Saccharomyces cerevisiae sintetiza mayor

cantidad de etanol durante las primeras 20 h.

Figura 3. Consumo de sacarosa en el tiempo de fermentación. Fermentación continua a 40°C y

20cm3/min, Fermentación continua a 40°C y 20cm3/min y Fermentación Batch 40°C.

El comportamiento de biomasa para las etapas 1 y 2 en el transcurso del tiempo de fermentación

se representa en la figura 4. Para la fermentación batch no hubo variación significativa de

porcentaje de biomada, lo que quiere decir que el consumo de sustrato fue mayormente

transformado por los microorganismos para la producción de etanol y no para su crecimiento

poblacional. La literatura reporta que aproximadamente el 10% de sustrato se convierte en

biomasa mientas el rendimiento en etanol y CO2 alcanza el 90% como se expone en la tesis de

grado de Acevedo, et al. (2003).

Para la etapa en continuo a 40°C, tampoco hubo aumento significativo en el crecimiento de la

población sin embargo la gráfica tiene una tendencia decreciente debido a que se retiraban

alícuotas del fermento sin suministro de microorganismos al medio de cultivo. A 30°C se observa

que durante las primeras 12 h el porcentaje de biomasa aumentó a 0.62 pero después de las 12 h

se observa un decrecimiento a lo largo del tiempo de fermentación por la razón anteriormente

mencionada [12].

Figura 4. Variación de biomasa con respecto al tiempo de fermentación. F. batch a 30°C. F.

Continuo a 40°C y F. Continuo a 30°C.

La concentración de etanol en el caldo de fermentación para la fermentación batch a 40°C y la

fermentación continua a 30 y 40°C se observan en la figura 5. En la experimentación batch se

alcanzó una concentración máxima de 4% de etanol v/v, a las 80 h. Cabe resaltar que para esta

experimentación, el porcentaje de etanol pudo haber sido duplicado pero solo se alcanzó una

conversión de sacarosa del 54%. Para las experimentaciones en continuo, la concentración de

etanol en el caldo de fermentación permaneció constante solo a 40°C, indicando que no había

acumulación en el bioreactor. Sin embargo, para 30°C no hubo una tendencia en la concentración

de etanol, observando porcentajes superiores a los alcanzados aun en la fermentación batch. Lo

cual se debió principalmente a errores generados en el método de inyección durante la

cuantificación por GC/MS. Además, se observó que el flujo de aire de arrastre (20cm3/min) no fue

lo suficientemente grande como para impulsar los vapores de etanol obtenidos en el caldo de

fermentación lo cual generó una condensación de líquido dentro del carter de la membrana y

obstrucción de los poros. Esto conlleva a que la membrana no pueda separar todo el etanol que se

va produciendo en la fermentación para evitar la acumulación de etanol en el bioreactor.

Figura 5. Porcentaje Etanol en el caldo de fermentación. F. batch a 30°C. F. Continuo a 40°C y F.

Continuo a 30°C.

10

Los datos obtenidos en la figura 6 para evaluar la viabilidad celular en las tres experimentaciones

muestran que para la fermentación batch el porcentaje de células vivas en razón a las células

totales alcanzó un 64.62% y para las fermentaciones en continuo excede el 70%, sin embargo las

gráficas de porcentaje Biomasa muestran que no hubo un crecimiento significativo de

microrganismos en ninguna fermentación. Es menester anotar que se tuvieron en cuenta como

células vivas durante todo el proceso experimental aquellas que se mostraran transparentes o de

color azul tenue en el microscópio, no obstante el color azul tenue identifica a las células en un

estado de supervivencia no apta para síntesis de etanol y reproductibilidad.

Figura. 6. Células viables. F. batch a 30°C. F. Continuo a 40°C y F. Continuo a 30°C.

En la segunda etapa, para la separación de los componentes más volátiles utilizando destilación con membranas se obtuvo que el % p/p de etanol en el permeado está directamente relacionada con la temperatura del fermento como se muestra en la figura 7. Este fenómeno se puede explicar ya que a menor temperatura del fermentado que pasa a la membrana se obtuvo mayor concentración del compuesto con el menor punto de ebullición. Caso contrario ocurre con la masa de permeado (ver figura 8), puesto que a mayor temperatura se logró mayor cantidad de solución etanol-agua separada del caldo de fermentación, pero con una menor concentración de etanol. Este fenómero también fue evidenciado en los trabajos de Cotamo, 2012 y Xie et al, 2009 [13].

Figura 7. %p/p de Etanol en el permeado. F. Continuo a 40°C y F. Continuo a 30°C.

Figura 8. Masas de Etanol en el permeado. F. Continuo a 30°C y F. Continuo a 40°C.

El flux de permeado para las fermentaciones continuas a 30 y 40°C se ilustra en la figura 9. Como

se puede observar en la gráfica, al aumentar la temperatura se genera un aumento en el flux de

permeado, esto se debe principalmente que a mayor temperatura aumenta la presión parcial de los

componentes. Esta tendencia también se observó en la investigación realizada por Cotamo,

(2012).

12

Figura 9. Flux de permeado. F. Continuo a 30°C y F. Continuo a 40°C.

Uno de los mayores inconvenientes presentados en la segunda etapa experimental fue la condensación del permeado dentro del carter de la membrana, a lo cual se concluyó que el caudal

de aire de arrastre debía ser aumentado. Para ello se utilizó una bomba de aire ELITE 802 con velocidad de flujo de 1500mL/min, temperatura 28°C y psi de 3.5. En esta experimentación se analizó el consumo de sustrato, la concentración de etanol en el fermento y permeado y masa de permeado con un tiempo duración de 84 h [14]. A continuación se presentan los resultados. Para la experimentación con aireador se alcanzó una estabilidad en el consumo de sustrato entre 35 y 45 h de aproximadamente 7°Bx (ver figura 10). Sabiendo que la concentración de sacarosa en el fermentador debía permanecer constante a 10°Bx, se infiere que hubo un consumo de 3° Bx cada 12h por parte de los microorganismos. Esta concentración se mantenía estable agregando una solución de sacarosa dentro del bioreactor.

Figura 10. Consumo de sacarosa en el tiempo de fermentación con aireador

°BX

30 40

La tendencia de la concentración de etanol dentro del caldo de fermentación se observa en la figura 11. A partir de ello se puede afirmar que el % EtOH v/v permaneció constante después de las 35 h como resultado de la estabilidad en el proceso.

Figura 11 %Etanol en el caldo de fermentación con aireador La concentracion de etanol en el permeado y la cantidad de solucion etanol-agua obtenida del proceso de separación utilizando la membrana de fibra hueca se representan el las figuras 12 y 13. Para esta experimentación se logró una concentración mínima de 7.7% p/p de etanol 5 veces mayor a la obtenida en la la fermentación en continuo a 40°C con un caudal de aire de 20 cm3/min. También se observó que la cantidad de permeado obtenido (Solución etanol-agua) cada 12 h fue en promedio de 141 g, 126 veces mayor a la lograda en la fermentación continua 40°C a un caudal de aire de 20 cm3/min [15]. A su vez, el flux de permeado obtenido fue de 0.0034 kg/m2h en el orden de 30 y 10 veces superior a las fermentaciones a 30 y 40°C respectivamente. Teniendo en cuenta que los datos presentados utilizando una bomba de are con un caudal de 1500mL/min son mayores en concentración de etanol y cantidad del solución en el permeado, se decide escogerlos para realizar la simulación en Aspen PLUSTM V8.4.

Figura 12. %p/p de Etanol en el permeado con aireador

14

Figura 13. Masa de Etanol en el permeado con aireador

4. SIMULACIÓN La simulación se realizó con la información experimental obtenida utilizando la bomba de diafragma modelo ELITE 802 para el suministro de aire de arrastre. La ventaja de contar con datos experimentales como información suministrada al simulador favorecen a la obtención resultados que se asemejan mayormente a la realidad, lo cuales permite realizar predicciones con resultados confiables. El paquete de fluido termodinámico para el desarrollo de la simulación fue especificado según las recomendaciones establecidas por Carlson, (1996) teniendo en cuenta la naturaleza de las propiedades de interés, la composición de la mezcla, presión y temperatura; por lo cual se escogió NRTL [16]. Los equipos seleccionados en la simulación fueron un reactor RStoic, utilizado especialmente cuando se tiene previo conocimiento de fracción de conversión de la reacción. En este equipo escribió la reacción convencional para la produccion de etanol a partir de glucosa como se muestra en la ecuación 1, partiendo que hubo una conversión del 30% de sustrato según las especificaciones experimentales. La corriente de alimento que entra al bioreactor debe tener una concentración de sustrato de 10°Bx y en el producto de 7°Bx, por lo cual se calculó una corriente flujo másico de 1.94 g sol/min para el alimento. También se suministra al bioreactor una solución fresca de sustrato equivalente a los 3°Bxque fueron consumidos en la reacción cada 12 h a una velocidad másica de 0,194 g sol/min. Es importante mencionar que en la base de datos de Aspen PlusTM v 8.4 no se encuentra la sacarosa, siendo seleccionada la dextrosa en su reemplazo por tener masas moleculares iguales.

C6H12O6 2CO2+CH3CH2OH + 28 calorías Ec. 1 A pesar de no contar con un degasificador para separar el CO2 en el montaje experimental, para la simulación se decide utilizarlo como medida de simplificación del proceso, puesto que incrementaba la densidad del líquido en el permeado y la sensibilidad el programa no permitía el ajuste de los balances de materia. Es menester señalar que dentro de la paleta de equipos no se cuenta con una membrana, sin embargo se escogió un separador, basado en una fracción de

separación de 10% de etanol en el permeado, de la membrana se desprende dos corrientes llamadas retenido que contiene todas las materias primas suministradas para desarrollar la fermentación y el permeado con una fracción de agua y etanol de 0.11 y 0.88 respectivamente. finalemente obtine una concentración final de 8%p/p de etanol y 92% p/p de agua. No se tuvo en cuenta el comportamiento de la biomasa en la simulacion porque en la etapa

experimental se mencionó una tendencia constante.

Figura 14. Simulación del proceso integrado de Fermentación y Separación con membranas en Aspen PLUSTM V8.4.

5. CONCLUSIONES

El 54% de sacarosa pulverizada fue consumida por la levadura en la fermentación batch. A estos resultados se atribuye la lisis y el estrés celular ocasionado por la recirculación de la bomba peristáltica, puesto que la concentración de etanol alcanzada en el medio de cultivo no excede la de inhibición.

En los procesos de fermentación (batch y continuo) no hubo variación significativa de porcentaje de biomasa, lo que quiere decir que el consumo de sustrato fue mayormente transformado por los microorganismos para la producción de etanol y no para su crecimiento poblacional, como también expone en la tesis de grado de Acevedo, et al. (2003).

En la experimentación batch se alcanzó una concentración máxima de 4% de etanol v/v, a las 80 h. Para las experimentaciones en continuo, la concentración de etanol en el caldo de fermentación permaneció constante solo a 40°C, indicando que no había acumulación en el bioreactor. Sin embargo, para 30°C no hubo una tendencia en la concentración de etanol, observando porcentajes superiores a los alcanzados aun en la fermentación batch. Lo cual se debió principalmente a errores generados en el método de inyección durante la cuantificación por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas.

Para la fermentación batch el porcentaje de células vivas en razón a las células totales alcanzó un 64.62% y para las fermentaciones en continuo excede el 70%. Esto se debió a que se tuvieron en cuenta como células vivas durante todo el proceso experimental

16

aquellas que se mostraran transparentes o de color azul tenue en el microscopio, no obstante el color azul tenue identifica a las células en un estado de supervivencia no apta para síntesis de etanol y reproductibilidad.

El flujo de aire de arrastre (20cm3/min) no fue lo suficientemente grande como para impulsar los vapores de etanol obtenidos en el caldo de fermentación lo cual generó una condensación de líquido dentro del carter de la membrana y obstrucción de los poros.

Se pudo evaluar la técnica de Destilación con membranas utilizando aire (medicinal y ambiente) como gas de arrastre integrando el proceso de fermentación alcohólica a 30 y 40°C obteniendo una concentración máxima de permeado de 18.1 a 108 h y 3.22 a 36 horas respectivamente.

La concentración de etanol en el caldo de fermentación para las experimentaciones en continuo a 40°C muestran una tendencia constante a lo largo del tiempo de fermentación, lo cual indica que no hay acumulación del producto.

Para la experimentación utilizando la bomba de aire a 1500mL/min se logró una concentración mínima de 7.7% p/p de etanol 5 veces mayor a la obtenida en la la fermentación en continuo a 40°C con un caudal de aire de 20 cm3/min. También se observó que la cantidad de permeado obtenido (Solución etanol-agua) cada 12 h fue en promedio de 141 g, 126 veces mayor a la lograda en la fermentación continua 40°C a un caudal de aire de 20 cm3/min. Estos resultados permiten inferir que a mayor caudal de arrastre se favorece el proceso de separación con membrana.

La realización de la simulación permitió corroborar los datos obtenidos experimentalmente con el flujo de aire de arrastre de 1500mL/min.

6. AGRADECIMIENTOS Se manifiestan los más sinceros agradecimientos los Profesores de la Universidad de San Buenaventura Cartagena especialmente a Eduardo Sanchez Tuirán, al profesor Carlos Muvdi Nova de la Universidad Industrial de Santander y al personal de trabajo del Laboratorio CICTA-UIS Guatiguará, a la familia Hurtado Mayorga y no menos importante a mi familia, Jairo Chamorro Roncallo, Lilis Morales Tejedor y Jairo Chamorro Morales por haberme apoyado incondicionalmente en el desarrollo de este artículo. REFERENCIAS

[1] COLOMBIA.CONGRESO DE LA REPUBLICA. Ley 693 (27 diciembre 2002). Por la cual se dictan normas sobre el uso de alcoholes carburantes, se crean estímulos para su producción, comercialización y consumo, y se dictan otras disposiciones. Diario Oficial. Bogotá, D.C., 2001. No. 44.564. [2] LOPÉZ, Jimmy Andrés y LOZANO, Herlendy. Obtención de etanol anhidro a partir de un proceso de destilación con adición de electrolitos. Trabajo de grado de Ingeniero Químico. Manizales: Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Departamento de Ingeniería Química. 2005. 89 p.

[3] INCAUCA S.A. (en línea). Disponible en: http://www.incauca.com/content/Alcohol-Carburante. Consultado 26 Mar., 2013. [4] LANDAZÁBAL, Paola. Obtención de etanol a partir de almidón de yuca variedad Chile en un proceso de dos etapas: hidrólisis (Aspergillus niger) - fermentación (Zymomonas mobilis). Trabajo de grado de Químico. Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ciencias. Departamento de Química, 2004. 102 p.

[5] SONI, V.; ABILDSKOV, J.; JONSSON, G.; GANNI, R. Modeling and analysis of vacuum membrane distillation for the recovery of volatile aroma compounds from black currant juice. En: Journal of Membrane Science. Abril, 2008, vol. 320, N.o 1-2, p. 442-455. [6] EL-BOURAWI, M.S.; DING, Z.; MA, R.; KHAYET, M.A framenwork for better underestanding membrane distillation separation process. En: Journal of Membrane Science. Noviembre, 2006,vol. 285, N.o 1-2, p.4-29. [7] GALVIS, Magaly. Estudio del proceso de fermentación de glucosa para la proudcción de bioetanol a partir de las levaduras nativas. Trabajo de grado de Químico. Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ciencias. Grupo de investigacion en Bioquímica y microbiología químicaTrabajo de grado, 2009. 66 p.b [8] GRYTA, Marek. The fermentation process integrated with membrane distillation. En:Separation

and Purification Technology. Junio, 2001, vol. 24, N.o 1-2, p. 283-296.

[9] RAMIREZ, Gabriel; PEDROZA, Julian. Desarrollo de uan fermentación alcoholica a pH regulado

y temperatura de 25°C en el bioreactor Bioflo 3000 M1227 y estudio inicial de fermentaciones en

sistema cintinnuo. Trabajo de grado de Ingeniero Agroindustríal. Bogotá: Universidad de la

Sabana. Facultad de Ingeniería de producción agroindustrial. 2001,106p.

[10] COTAMO, Ricardo. Estudio del método de destilación membranaria con gas de arrastre para

la recuperación de etanol en mezclas acuosas. Trabajo de grado de Ingeniero Químico.

Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas.

Escuela de Ingeniería Química. 2012. 41 p.

[11] MARISCAL, Juan. Evaluación y selección de microorganismo para la producción de etanol a

nivel industrial. Trabajo de grado de Ingeniero Químico. Manizales: Universidad Nacional de

Colombia. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. 2011,99p.

[12] ACEVEDO, Evelin; HERNANDEZ, Linda; JIMENEZ, Sonia. Evaluación comparativa de la

actividad fermentativa de células libres e iinmovilidadeas de Saccharommyces Cerevisiae sobre

cascaras de naranja y gluten. Trabajo de grado de Ingeniero Químico. Cartagena: Universidad de

San Buenaventura. Facultad de Ingeniería Química. 2003,138p.

[13] ACOSTA, PULIDO Juan. E valuación de Saccharomyces cerevisiae «Florida 1» como

probiótico para consumo animal. Trabajo de grado de Especialista en Biotecnología. México:

Universidad Autónoma Metropolitana. Unidad de Iztapalapa, 2009. 40 p.

18

[14] BENAVIDES, Omar Andrés y GEVARA, César Augusto. Planteamiento de un modelo matemático para la transferencia de masa en el proceso de concentración de etanol utilizando destilación con membranas. Trabajo de grado de Ingeniero Químico. Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas. Escuela de Ingeniería Química, 2010. 58 p. [15] BASMADJIAN, Diran. Mass transfer and separation processes.Toronto: CRC Press Taylor y

Francis Group, 2007.487 p. (Biblioteca Fray Antonio de Marchena). ISBN 1420051598.

[16] CARLSON, Eric. Don't gamble With Physical Properties for simulations. Succeeding at

simulation. Aspen Technology, Inc.En: Chemical Engineering Progress. Octubre, 1996. p 35-46.