Implementación de herramientas de ingeniería de procesos en el diseño de

biorrefinerías

Julián Andrés Quintero Suárez, Ph.D. MSc, Ing. químico Escuela de Ingeniería Bioquímica, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica

de Valparaíso, Valparaíso, Chile. Julian.quintero@pucv.cl

1er Ciclo de Conferencias sobre Biotecnología para Bioenergía

28 y 29 de Agosto de 2017, Saltillo, Coahuila, México

Concepto de biorrefinería

“Instalación con el equipamiento necesario para integrar los procesos de conversión de biomasa en combustibles, energía y

coproductos de valor agregado. Las biorrefinerías sueles ser análogas a las refinerías de petróleo en la actualidad”

(NREL, National Renewable Energy Laboratory)

“Instalación donde se generan, de forma sostenible, un amplio espectro de productos de interés comercial a partir de biomasa”

(IEA, International Energy Agency)

¿Tenemos las herramientas para lograr un diseño sostenible de biorrefinería?

¿Cómo transfiero mis resultados experimentales al diseño de una

biorrefinería ?

¿Cómo contribuyen mis datos experimentales en el diseño de una

biorrefinería?

Herramientas computacionales

Computadores más potentes Desarrollo de algoritmos de cálculo Lenguajes de programación

Software de Modelamiento y Simulación

Procesos petroquímicos

Hysim

Hysys

Procesos biotecnológicos

SuperPro Designer

ProII

Aspen Plus V.9

Modelamiento y Simulación

Flujos de Masa

Flujos de Energía

Dimensionamiento de equipos

Necesidades de equipos auxiliares

Optimización de condiciones de operación

Diseño preliminar de equipos

Evaluación económica

Alternativas tecnológicas

Modelamiento y Simulación

Bondades Ahorro de tiempo en el diseño de un proceso

Identificar operaciones auxiliares antes no consideradas

Visión global de todo el proceso

Idea cercana de un proceso a nivel comercial

Precauciones No deja de ser una representación virtual

Resultados altamente dependientes de la experiencia del usuario

Se requiere un conocimiento básico tras las operaciones unitarias involucradas

1. Balances de masa y energía

2. Integración energética (Análisis pinch)

3. Evaluación económica (Aspen Process Economic Analizer)

4. Evaluación ambiental (Análisis de Ciclo de Vida)

En busca de la sostenibilidad desde el diseño

Análisis de Ciclo de Vida (ACV)

Es una metodología que evalúa los impactos ambientales de un determinado producto o servicio.

Considera todo lo que ocurre desde la extracción de las materias primas, elaboración y uso del producto y tratamiento de los residuos.

Normas ISO

• Norma ISO 14040 – Conceptos generales de ACV

• Norma ISO 14041 – Objetivo y Alcance

• Norma ISO 14042 – Evaluación de Impacto

• Norma ISO 14043 - Interpretación

• Norma ISO 14044 – Reemplazó a 41, 42 & 43

Etapas del ACV

Norma ISO 14040.

Definición del Objetivo y Alcance

InterpretaciónAnálisis del Inventario

Evaluación del Impacto

Software para Análisis de Ciclo de Vida

Bases de datos

Métodos de evaluación de impacto Ejemplo de categorías de Impacto de PUNTO MEDIO

Calentamiento Global

Emisiones de gases de efecto invernadero (CH4, N2O, CFCs y CO2)

Acidificación

Cambios en la acidez de suelo y agua (SOx, NOx y NHx)

Eutrofización

Altos niveles de macronutrientes (N y P) en suelo y agua (genera alta producción de biomasa, e.j algas)

Agotamiento Abiótico

Asociada con la extracción de minerales y combustibles fósiles

Destrucción de la capa de ozono

Aumento de la incidencia de la radiación UV (Bromo, Flúor, Cloro y CFCs)

Smog Fotoquímico

Formación de fotooxidante (ozono) en la troposfera a traves de la interacción con la radiación solar (NOx, VOC, CFCs)

Ecotoxicidad

Impacto en flora y fauna de las emisiones de compuestos tóxicos

Métodos de evaluación de impacto Ejemplo de categorías de Impacto de PUNTO FINAL

Daños a la salud humana

Numero y duración de las enfermedades y los anos de vida perdidos debidos a la muerte prematura por causas ambientales.

Medido en “anos de vida sometidos a una discapacidad” (DALYs)

Daño a la calidad del ecosistema

Efecto sobre la diversidad de especies, especialmente en las plantas vasculares y los organismos sencillos.

Medido como el porcentaje de todas las especies presentes en el ambiente viviendo bajo estrés tóxico (PDF).

Daño a los recursos

En esta categoría se incluye la necesidad extra de energía requerida en el futuro para extraer mineral de baja calidad y recursos fósiles.

Medido como MJ de energía extra.

Métodos de evaluación de impacto

Estructura de inventarios Análisis de Ciclo de Vida

Otros Vertidos

ENTRADAS

Materias Primas

Energía

SALI DAS

EmisionesAtmosféricas

Efluentes

Líquidos

ResiduosSólidos

Coproductos

Adquisición de materias primas

Producción

Uso/Reuso/Mantenimiento

RecicladoGestión del Residuo

Metodología de diseño de biorrefinerías

Modelos

Datos de laboratorio

Inventario del proceso

Inventarios Materia prima Resultados de ACV

Diseño del proceso

Producción de bioetanol

• Materia prima: Eucalyptus globulus

• Aspen Plus v7.3. Escala de la planta: 2000 t/d (base madera seca).

• SimaPro Software v8.0 (Pré Consultant, Netherlands)

• ACV de la producción forestal

• ACV de la producción de bioetanol (Cuna a la puerta)

• Comparación ACV mezcla E5 vs Gasolina

Caso 1: Producción de bioetanol

Límites del sistema

Consideraciones metodológicas

• El escenario forestal bajo estudio considera 1 ha de cultivo de E. globulus.

• La densidad de la plantación: 5,000 árboles·ha-1

• Rendimiento de biomasa: 18.8 m3·ha-1·año-1. • Duración de 12 años. • 3 rotaciones (cosecha).

• Periodo de rotación de cultivos: 4 años.

• Datos de campo proporcionados por los

trabajadores forestales (ej: tipo de maquinaria, horas de operación, dosis de agroquímicos, consumo de combustibles, etc.)

Límites del sistema: Cultivo de Eucalipto

Functional unit: 1 m3 wood chips

Categorías de impacto Método de punto medio ReciPe

• Climate Change (CC)

• Ozone Depletion (OD)

• Human Toxicity (HT)

• Photochemical Oxidation Formation (POF)

• Terrestrial Acidification (TA)

• Freshwater Eutrophication (FE)

• Marine Eutrophication (ME)

• Terrestrial Ecotoxicity (TET)

• Freshwater Ecotoxicity (FET)

• Marine Ecotoxicity (MET)

• Water Depletion (WD)

• Fossil Depletion (FD)

Contribución por fase de cultivo

Fase 2, principal contribuyente

Contribución de la fase 2: Corte

Procesos involucrados en el ciclo de corte Procesos involucrados en la fertilización

Fertilización principal

contribuyente (35% a 99%)

Aspectos clave de la producción de bioetanol

Parámetros Unidad Valor

Producción t bioetanol/d 363,1

Rendimiento kg bioetanol/t madera 134,0

Emisiones GEI kg CO2 eq/kg bioetanol -3,81

kg CO2 eq/MJ -0,11

Balance

energético MJ/MJ 6,5

Valor energético

neto (NEV) MJ/L 22,3

Values

S1+S2

(kg CO2 eq/kg bioetanol)

2,46

Secuestration-C

(kg CO2 eq/kg bioetanol) (S1)

-6,28

Emisión neta**

(kg CO2 eq/kg bioetanol) -3,81

Contribución por fase involucrada en la producción de E5

-20

0

20

40

60

80

100

CC OD HT POF TA FE ME TET FET MET WD FD

Rela

tive C

on

trib

uti

on

s (

%)

Eucalyptus cultivation Bioethanol production Bioethanol Blend production Final use

E5 vs Gasolina

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CC POF TA ME TET MET WD FD

Rela

tive c

on

trib

uti

on

s (

%)

E5 Gasolina

E5 vs Gasolina

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

OD HT FE FET

Rela

tive C

on

trib

uti

on

s (

%)

E5 Gasolina

Conclusiones

• El uso de E5 reduce el impacto ambiental en las categorías de: cambio climático, acidificación terrestre, eutrofización de agua dulce, ecotoxicidad de agua dulce, ecotoxicidad marina, agotamiento del agua y agotamiento de recursos fósiles.

• El uso de E5 aumenta las contribuciones a otras categorías, como el

agotamiento del ozono, la toxicidad humana, la formación de oxidantes fotoquímicos, la eutrofización marina, ecotoxicidad terrestre y el agotamiento de metales.

• Las actividades involucradas en la producción de la mezcla de etanol son las principales contribuyentes al impacto del medio ambiente, debido a la gasolina requerida en la mezcla, así como el uso final del E5 debido a las emisiones de combustión.

ACV de distintas configuraciones de proceso

Caso 2: Producción de bioetanol

MESP por caso

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 100 200 300 400

MES

P [

USD

/L]

Rendimiento [kg/ton]

CB10

CB18

FSP

FC

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

CB10 CB18 FSP FC

MES

P [

cUSD

/L]

CB10

CB18

FSP

FC

Methodology: System boundaries

HF: hexose fermentation

Cra

dle

-to

-gate

Methodology: System boundaries

PF: Pentose fermentation

Methodology: System boundaries

CF: Co- fermentation

Parámetros clave

Parameter Unidad HF PF CF

Producción de etanol t/d 215.7 253.3 370.6

Rendimiento de etanol Kg/t 175.6 206.2 301.8

Producción neta de electricidad

MW 17.7 13.5 8.6

Producción de biogas t/h 15.9 13.8 7.3

Conc. metano t CH4/h 4.5 4.0 2.2

Emisiones GEI Kg CO2 eq/kg Etanol 0.67 0.64 0.40

Impactos para cada configuración de diseño

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

AbioticDepletion

Acidification Eutrophication GlobalWarming

Ozone LayerDepletion

HumanToxicity

Fresh WaterAquatic

Ecotoxicity

MarineAquatic

Ecotoxicity

TerrestrialEcotoxicity

PhotochemicalOxidation

Rel

ativ

e co

ntr

ibu

tio

ns

(%)

Hexoses Fermentation (HF) Separated Fermentation of Pentoses (PF) Simulataneous co-fermentation (CF)

CML 2 Baseline 2000 v2.05 method.

Calentamiento global

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

HF PF CF

kg C

O2

eq

/kg

Eth

ano

l

Enzyme production Eucalyptus cultivation Transport Process production

HF: Fermentación

de hexosas

PF: Fermentación

de pentosas

CF: Co-

Fermentación

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

0.0045

HF PF CF

kg S

O2

eq

/kg

Eth

ano

l

Acidification

Enzyme Production Eucalyptus cultivation

Transport Process production

0.00E+00

2.00E-04

4.00E-04

6.00E-04

8.00E-04

1.00E-03

1.20E-03

HF PF CFkg

PO

4 e

q/k

g Et

han

ol

Eutrophication

Enzyme Production Eucalyptus cultivation

Transport Process production

HF: Hexose Fermentation PF: Pentose Fermentation CF: Co-Fermentation

0.0E+00

2.0E-04

4.0E-04

6.0E-04

8.0E-04

1.0E-03

1.2E-03

1.4E-03

1.6E-03

HF PF CF

kg 1

,4 D

B e

q/k

g Et

han

ol

Photochemical Oxidation

Enzyme production Eucalyptus cultivation

Transport Process production

0.0E+00

2.0E-08

4.0E-08

6.0E-08

8.0E-08

1.0E-07

1.2E-07

1.4E-07

HF PF CF

kg C

FC-1

1 e

q/k

g Et

han

ol

Ozone Layer Depletion

Enzyme production Eucalyptus cultivation

Transport Process production

HF: Hexose Fermentation PF: Pentose Fermentation CF: Co-Fermentation

Comparación por etapas de proceso: Calentamiento global

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

HF PF CF

GW

P (

kg C

O2

eq

/kg

Eth

ano

l)

Saccharification Fermentation Co-generation WWT Liquor Treatment

HF: Hexose Fermentation PF: Pentose Fermentation CF: Co-Fermentation

Conclusiones

• La fermentación tiene un claro efecto en los impactos abientales del proceso global, siendo la co-fermentación la major opción desde el punto de vista de amigabilidad ambiental.

• El major aprovechamiento de los azúcares incrementa el rendimiento a etabol y por ende se obtienen menores impactos ambientales en el ACV del bioethanol.

• Integración de biorrefinerías

• Integración energética

• Sostenibilidad energética

Caso 3: Producción de ABE

Small-scale Integrated BIOrefineries

Integración de biorrefinerías

BIORREFINERÍA SECA

BIORREFINERÍA HÚMEDA

Químicos

Bioproductos

Biocombustibles

Residuos lignocelulósicos

agrícolas y/o agroindustriales

(Humedad <20%)

Residuos orgánicos de ganado y/o

agroindustriales (Humedad >80%)

Fuente: ERANET-LAC, 2014.

Escala del proceso

Materias primas (kg/día)

Paja de trigo 100.000

Purines de cerdo 483.818

Producto (kg/día)

Biobutanol 9.800

Productos

Pureza % Biobutanol 99,6

Acetona 78,5 Etanol 14,4

Composición biogás % CO2 40

CH4 60

Comparación escenarios

Requerimiento energético 89,98 GJ/h

Energía generada (GJ/h)

% Energía cubierta

% Energía faltante

Producción de vapor mediana presión 37,7 41,90 58,10

Producción de vapor alta presión 31,68 35,21 64,79

Producción de vapor de media y alta presión 90,29 100 0

La cantidad de paja de trigo requerida para suplir la

energía térmica de la planta es de 99.600 kg/día.

Pretreatment Saccharification

Fermentation48. 65 GJ/h

Products recovery39.93 GJ/h

Wheat straw

Liquor + Lignin

Biomiass + Stillage

E E

Requerimiento energético Biorrefinería seca

Pretreatment Saccharification

Fermentation48. 65 GJ/h

Anaerobic digestion1.4 GJ/h

Products recovery39.93 GJ/h

Liquor + ligninBiomass + StillageE

Wheat straw

Swine manureE

THERMAL ENERGY PRODUCED 37.7 GJ/h

(Steam at 165°C and 4.4 bar)

Integración de biorrefinerías

Autosuficiciencia energética

Pretreatment Saccharification

Fermentation48. 65 GJ/h

Anaerobic digestion1.4 GJ/h

Products recovery39.93 GJ/h

Liquor + lignin

Biomass + StillageE

Wheat straw

Swine manureE

Wheat strawTHERMAL ENERGY PRODUCED

68.89 GJ/h (Steam 165°C, 4.4 bar)

THERMAL ENERGY PRODUCED 22.18 GJ/h

(Steam 236°C, 24 bar)

Energía total requerida

89.98 GJ/h

Energía

producida

(GJ/h)

%

Cubierto

%

Energía

faltante

Biorrefinería integrada, solo

producción de vapor

mediana presión 37.7 41.90 58.10

Biorrefinería inegrada, con

producción adicional de

vapor de alta presión

usando paja de trigo 90.29 100 0

Conclusión

La cantidad de paja de trigo requerida para suplir la

energía térmica de la planta es de 99.600 kg/día.

¡Gracias! Proyecto de cooperación bilaterial CONICYT/CONACYT PCCI140053