natalia orozco, felipe bustamante grupo catÁlisis ambiental departamento de ingenierÍa quÍmica...

NATALIA OROZCO, FELIPE BUSTAMANTE

GRUPO CATÁLISIS AMBIENTALDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD

DE ANTIOQUIA

Agosto 1, 2014

Integración de un pervaporador con membranas selectivas a etanol a un

proceso de sacarificación-fermentación simultánea

CONTENIDO

2

INTRODUCCIÓN

3

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

INTRODUCCIÓN

PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA (SISTEMA CONVENCIONAL)

ALMIDÓN ETANOL

DESTILACIÓN

4

ALMIDÓN ETANOL REMOCIÓN IN SITU DE ETANOL

PERVAPORACIÓN

INTRODUCCIÓN

INCREMENTOS EN LA PRODUCTIVIDAD

REDUCCIÓN DE COSTOS ENERGÉTICOS

REDUCCIÓN DE EQUIPOS Y TIEMPO DE PROCESO

PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA (SSF)

5

INTRODUCCIÓN

PERMEADO

RETENIDO

ALIMENTO

LÍQUIDO VAPOR

MEMBRANA SELECTIVA A LA ESPECIE 1

ESPECIE 1

ESPECIE 2

PERVAPORACIÓN = PERMEACIÓN + EVAPORACIÓN

PERVAPORACIÓN

6

MEMBRANAS UTILIZADAS PARA LA REMOCIÓN SELECTIVA DE ETANOL

MEMBRANAS HIDROFÓBICAS

INTRODUCCIÓN

7

MEMBRANAS POLIMÉRICAS

AUTOR SISTEMA CAPA SELECTIVA SOPORTE SELECTIVIDAD

H. Hennepe, et al (1987) S. Nakao, et al (1987)

5.5-10 %p/p Etanol 22.5-30 °C vacío: 100 Pa

Silicon Rubber PDMS (RTV 615 A - RTV 615 B)

Sin soporte 7.6-8

Y. Mori, et al (1990)

1.5 %p/p Etanol 66ºC vacío:10 torr

Silicon Rubber PDMS PTFE 14

S. Slater, et al (1990)

5 %p/p Etanol 30ºC vacío: 1 torr

Silicone PDMS PP 9-10

Y. Mori, et al (1990)

1.5 %p/p Etanol 66ºC vacío:10 torr

PTMSP comercial Sin soporte 18.7

G. Fadeev, et al (2003)

V. V. Volkov, et al (2003)

6 %p/p Etanol 30ºC vacío: 2 mmHg

PTMSP sintetizado Sin soporte 19.9

S. Nakao, et al (1987)

A. Jain (2005)

5 and10 %p/p Etanol , 30ºC vacío: 6-7 torr

PTFE Sin soporte 6

INTRODUCCIÓN

8

MEMBRANAS INORGÁNICASINTRODUCCIÓN


T. Sano, et al (1994)

5 %p/p Etanol 30ºC

Silicalita sintetizada in-situ α-Al2O3 Discos 60

T. Sano, et al (1995)

5 %p/p Etanol 30ºC

Silicalita sintetizada in-situ, modificada con grupos silano

Acero Inoxidable Poroso, Discos

15-45

T. Ikegami, et al (1997)

Caldos de Fermentación30ºC

Silicalita sintetizada in-situ


13-42

T. Ikegami, et al (1999)

Caldos de Fermentación30ºC



11-46

X. Lin,et al (2003)

5 %p/p Etanol 60ºC


Mulita Tubos 90-106

α-Al2O3 Tubos 70-80

Acero Inoxidable Poroso, Tubos

30-35

9

MEMBRANAS COMPUESTASINTRODUCCIÓN


H. Hennepe, et al (1987)

3.6-7.5 %p/p Etanol 22.5 °C vacío: 100 Pa

Silicalite-PDMS mezcladaSin soporte 9.3-25

X. Chen, et al (1997)

4.4 %p/p Etanol 50 °C vacío: 30 Pa

Silicalite-PDMS mezcladaSin soporte 7.5-29.3

B. Moermans, et al (2000)

6 %p/p Etanol 35,50,65 ºC vacío: 2 mbar

Silicalite-PDMS mezclada Sin soporte 16.4

T. Ikegami, et al(2002-2004)

5-10 %p/p Etanol 30ºC vacío: 600 Pa

Caldos de F.

Silicalite –PDMS multicapasAcero Inoxidable Poroso

40-125

B. Adnadjevid, J. Jovanovid, S. Gajinov (1997)

L. M. Vane, V. V. Namboodiri, T. C. Bowen (2008)

5 %p/p Etanol 30-50ºC vacío: 3-4 torr

USY, ZSM-5- PDMS mezclada Sin soporte 10-45

F. Xiangli, W. Wei, Y. Chen, W. Jin, N. Xu (2008)

4.2%p/p Etanol 60°C Vacio : 500 Pa

Silicon Rubber PDMS ZrO2/Al2O3 4.8 – 9.02

10

OBJETIVOS

11

Evaluar el efecto de la integración de un pervaporador con membranas de silicalita-polidimetilsiloxano a un proceso de sacarificación-fermentación simultánea.

Evaluar el efecto de la integración de un pervaporador con membranas de silicalita-polidimetilsiloxano a un proceso de sacarificación-fermentación simultánea.

OBJETIVOS

12

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

13

SOPORTEDiscos de acero

inoxidable poroso 316L (5.6 cm de

diámetro y tamaño de poro promedio

de 2 μm)

SINTESIS HIDROTÉRMICA

DIRECTA

SECADA Y CALCINAD

A

SOLUCIÓN POLIMÉRICA RTV615A y

RTV615B (10:1 en tolueno)

RECUBRIMIENTO DEL SOPORTE CURADO

RECUBRIMIENTO DE

MEMBRANA DE SILICALITA

CURADO

Membranas de Silicalita

Membranas

de PDMS

Membranas Compuesta

s Multicapas

MEMBRANAS SINTETIZADAS METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Spin Coating a 1000 rpm.

RECUBRIMIENTO DEL SOPORTE CURADO

21SiO2:788H2O:3NaOH:1TPABr

Membrana compuesta mezclada

MEZCLA CON POLVO DE

SILICALITA (Malla 120)



150ºC x 15 min

14

150ºC x 15 min

150ºC x 15 min

Tanque de alimentación de 10L con horno de

calentamiento

Celda de Pervaporación

Trampas de Enfriamiento

Bomba de vacío

Bomba Peristaltica

Re

ten

ido

AlimentoControlador de Temperatura

Pe

rme

ad

o

Controlador de vacio

V-1

V-2

V-3

V-4 VS

Trampa de la bomba de vacio

SISTEMA DE PERVAPORACIÓN A ESCALA LABORATORIO

36ºC

Mezclas Etanol-Agua(5-12% p/p EtOH)

Caldos de fermentación(10-11% p/p EtOH)

100 ml/min

Aef: 23 cm2

Cromatógrafo de gases equipado con una columna DB-WAX.


16

SISTEMA DE PERVAPORACIÓN A ESCALA LABORATORIO METODOLOGÍ

A EXPERIMENTAL

17

SISTEMA ACOPLADO SSF-PERVAPORADOR A ESCALA LABORATORIO

Enzimas Thermamyl y AMG, Levadura ETHANOL REDTM, 36°C de temperatura, pH de 4,5 y agitación de 500rpm.


18

MEMBRANAS POLIMÉRICAS DE PDMS

MEMBRANAS INORGÁNICAS DE SILICALITA

MEMBRANAS COMPUESTAS MEZCLADAS

MEMBRANAS COMPUESTAS MULTICAPAS

CARACTERIZACIÓN DE LAS MEMBRANAS

PREPARADAS

19

MEMBRANAS POLIMÉRICAS DE PDMS

5500 mg PDMS/mL ToluenoEspesor: 130 m

1000 mg PDMS/mL ToluenoEspesor: 27.7 m

500 mg PDMS/mL ToluenoEspesor: 10 m

Medidas de espesor

CARACTERIZACIÓN

Análisis SEM

20

MEMBRANAS INORGÁNICAS DE SILICALITACARACTERIZACIÓN

Medida de espesorEspesor: 57.1 m

Análisis Superficial

Análisis SEM

21

MEMBRANAS COMPUESTAS MEZCLADASCARACTERIZACIÓN

Análisis SEM

Medida de espesorEspesor: 39.5 m

Análisis Superficial 20%p/p silicalita 50%p/p silicalita

22

MEMBRANAS COMPUESTAS MULTICAPASCARACTERIZACIÓN

Medida de espesorAnálisis SuperficialEspesor total: 83.6 m Capa PDMS: 20.37 m

Capa Silicalita: 54.37 m

Análisis SEM

23

PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON MEZCLAS ETANOL-AGUA

PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON CALDOS DE FERMENTACIÓN

INTEGRACIÓN DE MEMBRANAS SELECTIVAS A ETANOL POR PERVAPORACIÓN AL PROCESO SSF

PRUEBAS DE SELECTIVIDAD

24

0 1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

35

Permeancia (Kg m-2 h-2 bar)

Fac

tor

de s

epar

ació

n



27.7 µm

39.5 µm

Membranas de PDMS: Factor de Separación: 2.02. Concentración de etanol en el permeado: 9.72 % p/p. Permeancia: 0,14 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Mezcladas: Factor de Separación: 5.20. Concentración de etanol en el permeado: 42.35 % p/p. Permeancia: 0.095Kgm-2h-1bar.

25

0 1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

35


Fac

tor

de s

epar

ació

n


Membranas de Silicalita: Factor de Separación: 28.01. Concentración de etanol en el permeado: 59.12 % p/p. Permeancia: 5.68 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Multicapas: Factor de Separación: 31.41. Concentración de etanol en el permeado: 81.77% p/p. Permeancia: 5.38 Kgm-2h-1bar.

81.77% p/p EtOH83.6 µm

57.1 µm

*


26

3 3.5 4 4.5 5 5.518

20

22

24

26

28

30

32


Fac

tor

de S

epar

ació

n

PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON CALDOS DE FERMENTACIÓN

77.41% p/p EtOH

73.31% p/p EtOH

Membranas de Silicalita: Factor de Separación: 21.92. Concentración de etanol en el permeado: 73.31% p/p. Permeancia: 5.42 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Multicapas: Factor de Separación: 26.46. Concentración de etanol en el permeado: 77.41% p/p. Permeancia: 5.02Kgm-2h-1bar. *


27

3 3.5 4 4.5 5 5.518

20

22

24

26

28

30

32


Fac

tor

de S

epar

ació

n

INTEGRACIÓN DE MEMBRANAS SELECTIVAS A ETANOL POR PERVAPORACIÓN AL PROCESO SSF

77.41% p/p EtOH

71.53% p/p EtOH

Membranas Compuestas Multicapas – Sistema Acoplado: Factor de Separación: 24.75. Concentración de etanol en el permeado: 71.53% p/p. Permeancia: 3.25 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Multicapas – Caldos de Fermentación: Factor de Separación: 26.46. Concentración de etanol en el permeado: 77.41% p/p. Permeancia: 5.02Kgm-2h-1bar. *


28

Sistema Acoplado

Caldos de Fermentación

SSF CON Y SIN REMOCIÓN IN-SITU DE ETANOL


29

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

39 40 41 42 43 44 45 46 47

Ca

nti

da

d d

e e

tan

ol p

rod

uc

ida

(g/L

)

Tiempo de operación (hr)

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

39 40 41 42 43 44 45 46 47

Ca

nti

da

d d

e e

tan

ol p

rod

uc

ida

(g/L

)

Tiempo de operación (hr)

SSF sin membrana

SSF acoplada a la membrana

SSF CON Y SIN REMOCIÓN IN-SITU DE ETANOL

3% *O.J. Sánchez, C.A. Cardona, D.C. Cubides. “Modeling of SSF coupled with pervaporation for fuel ethanol production”. 2nd Mercosur Congress on Chemical Engineering and 4th Mercosur Congress on Process Systems Engineering. Costa Verde, Rio de Janeiro, Brasil. 2005.

4%*

ProcesoMembran

a

Concentración etanol alimento(%vol)

Cantidad de

Etanol (g/L)

Productividad a etanol

(g/Lh)

SSF N/A 9,69 76,55 1,66

Pervaporación acoplada a

la SSF

Membrana

Compuesta

Multicapas

9,98(7,89% p/p)

78,93 1,72

Con base en los resultados obtenidos en este trabajo se estimó que el área efectiva requerida de membrana para aumentar la productividad de la SSF en un 10% es del orden de 118 cm2. (Diámetro 12 cm)


30

PRUEBAS DE DURABILIDADPRUEBAS DE SELECTIVIDAD

1 2 30

5

10

15

20

25

30

Prueba de Durabilidad

Fac

tor

de S

epar

ació

n

1 2 30

1

2

3

4

5

6

Per

mea

ncia

(K

g m

-2 h

-2 b

ar)

1 2 30

1

2

3

4

5

6

1 2 30

1

2

3

4

5

6

Per

mea

ncia

(K

g m

-2 h

-2 b

ar)

1 2 30

1

2

3

4

5

6

31

Se prepararon membranas poliméricas (PDMS), inorgánicas (Silicalita) y mezcladas (PDMS+Silicalita) sobre acero inoxidable poroso, con espesores de 27,7 µm para las membranas de PDMS, 57,1 µm para las membranas de silicalita, y 39,5 y 83,6 µm para las membranas compuestas.

Las membranas compuestas multicapas son más selectivas a etanol, con concentraciones de etanol en el permeado hasta del 81,77% p/p y 77,41% p/p en mezclas agua-etanol y caldos de fermentación, respectivamente. Concentraciones de etanol en el permeado de 71,53% p/p fueron obtenidas al acoplar una membrana compuesta multicapas de silicalita-PDMS a un proceso de sacarificación-fermentación simultánea. La alta concentración de etanol en el permeado puede disminuir los costos energéticos de purificación de etanol.

La integración del proceso de sacarificación-fermentación simultánea a un sistema de remoción in situ de etanol utilizando membranas compuestas multicapas de silicalita-PDMS mostró incrementos del 3% en la productividad del proceso. Aunque el incremento en la productividad es modesto –debido principalmente al área relativamente pequeña de la membrana usada–, se valida experimentalmente el concepto del sistema integrado SSF + membrana. Con la optimización de esta tecnología (por ejemplo, área efectiva de la membrana y configuración del módulo de pervaporación) es posible alcanzar aumentos más significativos en la productividad del proceso.

CONCLUSIONES

32

Universidad de Antioquia Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural

por la financiación de este trabajo a través del proyecto “Diseño de Proceso de producción de alcohol carburante a partir de Almidón de

yuca utilizando la metodología de Sacarificación-Fermentación Simultánea, usando membranas para la remoción in situ de etanol”

Grupo de Biotransformaciónpor su colaboración con el acople del módulo de pervaporación al

sistema de sacarificación-fermentación simultánea

CIDEMATpor su ayuda en la preparación y caracterización de los recubrimientos

AGRADECIMIENTOS

33

natalia orozco, felipe bustamante grupo catÁlisis ambiental departamento de ingenierÍa quÍmica...

Documents