revalorizaciÓn de residuos de la industria …

VIII CAIQ2015 y 3ras JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

REVALORIZACIÓN DE RESIDUOS DE LA INDUSTRIA

ALIMENTICIA PARA LA PRODUCCION DE BIOETANOL

DE SEGUNDA GENERACIÓN

V.E Capdevila1

, V. Kafarov2, M.C. Gely

1 y A.M. Pagano

1

1Área de Procesos - TECSE, Depto. Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNICEN)

Av. del Valle 5737 – 7400 Olavarría - Argentina

2Universidad Industrial de Santander (UIS), Bucaramanga, Colombia

E-mail: [email protected]

Resumen. Con el objetivo de agregar valor a residuos de industrias alimenticias,

como lo son la cascarilla de arroz (residuo de la industria arrocera) y el lactosuero

(residuo de la industria láctea), se presenta un modelo de simulación del proceso

de obtención de bioetanol de segunda generación utilizando estas materias

primas. Con este trabajo se busca una alternativa de revalorización de este tipo de

residuos mediante su utilización para la producción de biocombustibles

sostenibles, contribuyendo a resolver dos problemáticas ambientales como son la

inmediata escasez de petróleo y la generación de grandes volúmenes de efluentes

contaminantes en las industrias lácteas. El modelo se desarrolla en el simulador

Aspen HYSYS en estado estacionario. Incluye las etapas de hidrólisis,

fermentación y separación de bioetanol generado a partir de residuos

lignocelulósicos (cascarilla de arroz) en combinación con lactosuero,

determinándose las condiciones de diseño y operación de los equipos para

alcanzar una producción a la salida del proceso de 8,2 t/h con una pureza de

91,9% p/p en bioetanol (es decir 7,57 toneladas de etanol puro por hora) a partir

de 28,89 t/h de biomasa lignocelulósica pretratada y 88 t/h de lactosuero.

Palabras clave: bioetanol, residuos, simulación.

V.C. Capdevila, Facultad de Ingeniería, UNICEN.

mailto:[email protected]


AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

1. Introducción

El concepto de desarrollo sostenible hace referencia a aquel desarrollo que es capaz

de satisfacer las necesidades actuales sin comprometer los recursos futuros.

Actualmente, frente a la evidente escasez del petróleo a corto plazo, es preciso

urgentemente enfocar los esfuerzos a la búsqueda de tecnologías de producción

sostenibles que permitan aportar soluciones a esta problemática, sin comprometer los

recursos de futuras generaciones. Entre las propuestas alternativas que se enfocan a dar

solución a esta situación coyuntural aparecen los biocombustibles como el bioetanol.

El bioetanol es el biocombustible más ampliamente utilizado para el transporte en

todo el mundo (Balat, 2011). Se lo puede obtener a partir de la fermentación alcohólica

de biomasas con alto contenido de azúcares y almidón tales como cereales y caña de

azúcar (denominado bioetanol de primera generación). También es posible obtenerlo a

partir de otras tecnologías sustentables que utilizan como biomasas residuos

lignocelulósicos como la cascarilla de arroz –proceso denominado de segunda

generación- eliminando la existente controversia entre destinar los alimentos para el

consumo humano ó para la generación de energía.

La cascarilla de arroz tiene una estructura celulósica cristalina compleja que dificulta

la hidrólisis enzimática, por eso para la producción de bioetanol se requiere de un

pretratamiento, a diferencia de la caña de azúcar y de los cereales (Dagnino et al.,

2011).

El pretratamiento químico tiene como objetivo desintegrar la matriz de carbohidratos

compuesta de celulosa y lignina enlazada por cadenas de hemicelulosa de tal manera

que la celulosa reduzca su grado de cristalinidad y aumente la celulosa amorfa, que es la

más adecuada para el posterior ataque enzimático (Sánchez y Cardona, 2005). Se aplica

para conservar la celulosa y la hemicelulosa separando la lignina, siendo esta etapa

necesaria para mejorar la velocidad de producción y el rendimiento total de los azúcares

monoméricos en la etapa de hidrólisis.

A posteriori, mediante hidrólisis enzimática se transforma la celulosa y la

hemicelulosa en sacáridos que se fermentan y separan. Por un lado, la celulosa liberada

es sometida a dicha hidrólisis enzimática con células exógenas, lo cual hace que se

obtenga una solución de azúcares fermentables que contiene principalmente glucosa,



pero también pentosa, resultantes de la hidrólisis inicial de la hemicelulosa. Estos

azúcares son posteriormente convertidos en bioetanol mediante microorganismos, que

pueden utilizar uno ó varios de los azúcares presentes en el material lignocelulósico

pretratado e hidrolizado (Samper, 2007).

La cascarilla de arroz, baja en contenido de lignina (19% ligninas totales) y con más

del 50% de carbohidratos en su composición, sometida a pretratamiento con ácido

sulfúrico diluido (0,3 % p/v) durante 33 minutos a 5 atm y 152ºC, se ha demostrado que

produce –además de la hidrólisis de azúcares componentes de la hemicelulosa- una alta

proporción de glucanos susceptibles de ser hidrolizados para obtener bioetanol

(Dagnino et al., 2013).

El lactosuero es un residuo de las industrias lácteas que ocasiona una problemática

ambiental por los grandes volúmenes con elevada carga orgánica que se generan. Sin

embargo ofrece muchas posibilidades de valorización, entre ellas la elaboración de

bebidas lácteas, la fabricación de alimentos como yogurt y galletas, geles de baño y

otros productos cosméticos, la alimentación del ganado (Delgado y Gil, 2011). Pero

además es posible obtener bioetanol por un proceso fermentativo a partir de los

monosacáridos presentes en el suero (fundamentalmente lactosa, en el orden del 5% en

peso).

La cantidad y composición del lactosuero que se genera en la industria láctea es muy

variable, ya que depende del tipo de queso que se elabora, del tratamiento térmico de la

cuajada, de la forma de coagulación, del cuajo empleado, entre otros. De acuerdo al

origen del lactosuero se lo clasifica como “dulce”, que es el líquido sobrante de la

precipitación de las proteínas por hidrólisis específica de la k-βcaseína por coagulación

enzimática y con un pH similar al de la leche inicial, y “ácido”, que es el líquido

remanente obtenido después de la coagulación ácida o láctica de la caseína con un pH

de alrededor de 4,5 (Ramírez-Navas, 2013).

El azúcar presente en el lactosuero, a partir del cual es factible obtener bioetanol, es

la lactosa, un disacárido que cuando se somete al proceso de hidrólisis proporciona

glucosa y galactosa (González Siso, 1996). A partir del proceso fermentativo de estos

monosacáridos se obtiene el bioetanol. Conocer el contenido de lactosa en el lactosuero

resulta necesario para determinar la cantidad de carbohidratos disponibles para procesos



fermentativos de los microorganismos; un contenido cercano al 5% es adecuado para el

crecimiento de éstos, ya que representa la fuente de carbono, hidrógeno y energía

metabólica (Rivera, 2005).

Considerando que el suero de queso; debido a su baja cantidad de lactosa; puede

producir solo alrededor de un 2,5% de etanol en fermentación directa, no resulta un

proceso económicamente viable (Kargi y Ozmihci, 2006). Por este motivo, diferentes

investigadores se han abocado a la obtención de este biocombustible a partir de

lactosuero en combinación con otras biomasas tales como granos y melaza de

remolacha (Friend et al., 1982; Oda y Nakamura, 2009; Guimarães et al., 2010; Kelbert

et al., 2015). Contribuyendo a los lineamientos de estas investigaciones con una visión

hacia la sustentabilidad del proceso, en este trabajo se planteó llevar a cabo el desarrollo

de un modelo de simulación del proceso de obtención de bioetanol de segunda

generación a partir de residuos de la industria de alimentos tales como cascarilla de

arroz y lactosuero aplicando el simulador Aspen HYSYS

en estado estacionario,

persiguiendo el objetivo del aprovechamiento de estas biomasas para la producción de

un biocombustible sustentable. Este modelo de simulación constituirá una herramienta

valiosa para predecir el rendimiento de bioetanol bajo diferentes condiciones, con vista

a la optimización de las operaciones tanto desde el aspecto de la calidad del producto y

de la economía del proceso.

2. Metodología

El desarrollo del modelo implicó la modelización de las etapas de hidrólisis,

fermentación y separación de bioetanol generado a partir de residuos lignocelulósicos

como la cascarilla de arroz en combinación con suero de la industria láctea.

Como punto de partida, se trabajó sobre la base de los modelos de simulación de la

producción de bioetanol desarrollados previamente (Capdevila et al., 2014, 2015) para

describir las operaciones de fermentación de residuos lignocelulósicos y la separación

de los productos. Capdevila et al. (2015) modela el proceso de obtención de bioetanol a

partir de biomasa pretratada (cascarilla de arroz) empleando agua en la fermentación.

Con una visión comprometida con las cuestiones ambientales, ese estudio se enfocó a la

optimización de la relación agua/biomasa (p/p) con el fin de reducir al mínimo el

consumo de agua, resultando que la producción óptima de bioetanol –con una pureza de



65,5% p/p luego de la separación del producto- requiere el empleo de 2,9 partes de agua

por cada parte de biomasa. En busca de una mayor eficiencia del proceso desde el punto

de vista de la sostenibilidad, en el modelo que aquí se presenta se propuso como

objetivo reemplazar el agua potable que se requiere en el proceso fermentativo por

lactosuero.

Para simular el proceso de producción de bioetanol a partir de suero de leche

enriquecida con cascarilla de arroz pretratada se utilizó el simulador Aspen HYSYS

(AspenOne, 2010).

La escala del proyecto se definió teniendo en cuenta, por un lado, el 80% de la

cascarilla de arroz anualmente producida en Argentina (Ministerio de Agricultura,

Ganadería y Pesca de la Nación, 2014), lo que representa un flujo de masa de 28,89 t/h

de biomasa lignocelulósica pretratada, y por otro lado, la producción típica de

lactosuero en la región de influencia de la UNICEN (INTI, 2013) representada por 88

t/h.

3. Desarrollo del modelo y Discusión

La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del modelo de simulación desarrollado para

el proceso de producción de bioetanol a partir de suero de leche y cascarilla de arroz

pretratada. En ella pueden observarse las operaciones involucradas en el proceso

asumiendo que las etapas de hidrólisis y fermentación ocurren separadamente en

reactores continuos de tipo tanque agitado (CSTR) en serie, desarrollándose a posteriori

las etapas de separación correspondientes.

Las condiciones de funcionamiento de los principales equipos que fueron

involucrados en el proceso de producción de bioetanol se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Condiciones operativas y de diseño de los principales equipos del proceso.

Parámetros de

diseño V-101 CSTR-100 CSTR-101 CSTR-102 T-100 T-102

T [ºC] 106,4 140,0 40,0 37,0 25-31 90-110

P [kPa] 101,3 101,3 101,3 101,3 101,3 101,3

Nro. de platos 10 10



Fig. 1. Diagrama de flujo de la producción del proceso de bioetanol a partir de cascarilla

de arroz pretratada y lactosuero.



La corriente de alimentación al proceso identificada como “Lactosuero” se definió

con fracciones en masa de 5% de lactosa (descripta como sucrosa en el entorno de

simulación) y 95% de agua (representando el resto de los compuestos minoritarios)

(Ramírez-Navas, 2013).

La corriente denominada “Biomasa” se definió a través de los azúcares mayoritarios

de la cascarilla de arroz, celulosa y hemicelulosa, considerando su composición de

97,7% p/p y 2,3% p/p, respectivamente, tomando como base las fracciones en masa

resultantes a partir del pretratamiento óptimo informado por Dagnino et al. (2011).

Para la definición de las corrientes de alimentación y de las reacciones involucradas

en el proceso, debieron definirse algunos Compuestos Hipotéticos como Hemicelulosa,

Xilosa y Galactosa debido a que no se encontraron en la Librería de Aspen HYSYS

.

La definición de estos componentes se basó en la definición de la estructura UNIFAC y

en propiedades fisicoquímicas de los compuestos las tales como peso molecular, punto

de ebullición normal y propiedades críticas de las materias primas.

Se seleccionó el modelo termodinámico NRTL como adecuado para estimar las

propiedades de las sustancias, estimándose los coeficientes binarios vapor-líquido

mediante UNIFAC.

Previo a la hidrólisis de la lactosa, la corriente “Lactosuero” que alimenta al proceso

con un flujo másico de 88 t/h a una temperatura de a 40ºC y una presión de 101,3 kPa,

se concentró desde 5% p/p hasta 20% p/p de lactosa (Oda y Nakamura, 2009) a través

del empleo de un separador Flash (V-101, ver Tabla 1). La función lógica “Adjust”

(ADJ-1) sobre la corriente “2” permitió ajustar la temperatura de la corriente de líquido

a la salida del separador (“2”) en 106,4°C a fin de mantener la concentración de lactosa

de la corriente “2” en 20% p/p (Fig. 2).

Las operaciones subsiguientes de hidrólisis y fermentación de los azúcares fueron

diseñadas mediante el empleo de reactores continuos de tipo tanque agitado en serie

realizando un calentamiento (E-101) aportando 6,7105

kJ/h a la corriente de lactosa

hidrolizada y un enfriamiento (E-100) de 7,74106 kJ/h sobre la corriente proveniente

del segundo reactor de hidrólisis (Fig. 3).



Fig. 2. Detalle del separador Flash (V-101) para concentrar el lactosuero.

Fig. 3. Detalle de la serie de reactores continuos de tipo tanque agitado (CSTR-101,

CSTR-100, CSTR-102).

Para la etapa de hidrólisis de lactosa se diseñó un reactor isotérmico de mezcla

completa (CSTR-101) asociándole un modelo cinético de primer orden tipo Arrhenius

con un factor pre-exponencial de 7,61109 (s

-1) y una energía de activación de 46,861

kJ/mol, válido en el rango 25-40ºC (Jurado et al., 2002). A partir de esta reacción se

obtuvieron galactosa y glucosa con un grado de conversión de la lactosa del 99,95%.

Las condiciones de diseño del reactor CSTR – 101 se observan en la Tabla 1.

Posteriormente se diseñó la etapa de hidrólisis ácida de la cascarilla de arroz

ingresando esta biomasa al reactor de mezcla completa (CSTR-100) con un flujo másico

de 28,89 t/h Para esta etapa, se fijaron condiciones operativas isotérmicas a 140°C y



presión atmosférica para el reactor CSTR-100 (ver Tabla 1), al cual se asoció un modelo

cinético homogéneo de pseudo-primer orden de tipo Arrehenius con un factor pre-

exponencial de 4,74107 (s

-1) y una energía de activación de 64,350 kJ/mol (Megawati

et al., 2010).

Este reactor se alimentó por un lado con agua recuperada en la etapa de

concentración del suero de leche, y por otro lado, con lactosa hidrolizada, obteniéndose

una conversión de 96,65% de celulosa a glucosa y 81,96% de hemicelulosa a xilosa. La

corriente resultante –rica en azúcares fermentables- fue ingresada a un fermentador

simulado como un reactor de mezcla completa (CSTR-102), operando isotérmicamente

a una temperatura de 37°C y a presión atmosférica (ver Tabla 1). En este reactor se

activaron las reacciones de formación de etanol y dióxido de carbono a partir de

glucosa, xilosa y galactosa. Todos los parámetros de reacción fueron definidos en base a

la cinética de descomposición del reactivo mayoritario en la corriente de alimentación al

reactor (glucosa). Se consideró un modelo cinético de primer orden de tipo Arrhenius

con un factor pre-exponencial de 1,91013

(s-1

) y energía de activación de 65,270 kJ/mol

(Ortiz-Muñiz et al., 2010), obteniéndose conversiones mayores al 97%.

Del reactor descrito anteriormente (CSTR-102), se obtuvieron dos corrientes

efluentes: una corriente gaseosa “CO2 a lavado 37°C” de 18,41 t/h, constituida

principalmente por dióxido de carbono con una fracción másica de 86,03 % y una

corriente líquida “A torre de absorción 2” de 18,01t/h cuyo componente principal es el

bioetanol con una fracción másica de 85,76%. Con el fin de ventear el dióxido de

carbono y concentrar el etanol, complementando el modelo desarrollado por Aspen

HYSYS

(AspenOne, 2010) se incluyeron otras dos etapas de absorción en paralelo

(Fig. 4).

La columna de absorción T-100 fue diseñada con el objetivo de separar el CO2

presente en la corriente “CO2 a lavado 37ºC” que fue producido en el fermentador

CSTR-102. Esta corriente gaseosa, que consiste principalmente de dióxido de carbono

con restos de agua y etanol, se lavó con agua a 25ºC y 101,3 kPa (corriente “Agua a

torre absorción 1”) en la columna de absorción T-100 diseñada con 10 etapas (ver Tabla

1), donde el etanol se absorbió en agua (corriente “9”).



Fig. 4. Detalle de torres de absorción en paralelo.

Este último efluente eventualmente podría ser tratado a posteriori en etapas de

purificación adicionales (no mostradas aquí) que permitan recuperar el etanol, puesto

que dicha corriente posee un flujo másico de 52,87 t/h con una composición en peso de

4,48% p/p de etanol, 95,4% p/p de agua y 0,12% p/p de CO2. Por otro lado, el venteo de

CO2 se produjo en la corriente gaseosa “Venteo CO2”, obteniéndose un flujo de CO2 de

15,78 t /h a 25ºC y 101,3 kPa con una pureza del 98,69 % p/p.

La corriente “A torre de absorción 2” efluente del reactor fermentador CSTR-102,

consistió en una solución diluida de etanol con trazas de otros compuestos menores.

Esta corriente fue tratada en la columna de absorción (T-102) diseñada con 10 etapas

(ver Tabla 1) con el objetivo de eliminar el agua, obteniéndose el etanol desde la parte

superior de la columna (corriente “Bioetanol”). Como gas de arrastre se utilizó vapor

sobrecalentado que ingresando a 140ºC y 101,3 kPa. Finalmente, la corriente global

“Bioetanol” corriente de salida del proceso presentó las siguientes características:

caudal másico total de 8,2 t/h con una pureza en bioetanol de 91,9% p/p a una

temperatura de 78,35ºC y presión de 101,3 kPa. Como resultado de la simulación del

proceso con las etapas diseñadas se lograron obtener una producción de etanol de 7,57

t/h, previo a las etapas de purificación (no diseñadas en este trabajo).

Con el fin de demostrar que la utilización conjunta de las materias primas residuales

cascarilla de arroz y lactosuero resulta la mejor opción en cuanto a rendimiento de



bioetanol obtenido, sumándole la ventaja adicional de evitar el uso del recurso agua

potable en la etapa de hidrólisis de la biomasa lignocelulósica, se compararon los

resultados logrados a través de la simulación de diferentes procesos alternativos:

Bioetanol de lactosuero y biomasa lignocelulósica (propuesta original de este

trabajo) (Fig. 1)

Bioetanol de biomasa lignocelulósica empleando agua (Fig. 5)

Bioetanol de lactosuero (Fig. 6).

bajo las mismas condiciones operativas (caudales de alimentación, temperaturas y

presiones) y de diseño (tipos y tamaños de reactores, etapas de las columnas). Los

diagramas de flujo de los distintos procesos se presentan en las Figs. 1, 5 y 6, mientras

que los resultados de las simulaciones en cuanto a producción de bioetanol de cada uno

de ellos se observan en la Tabla 2.

Fig. 5. Diagrama de flujo de la producción del proceso de bioetanol a partir de biomasa

lignocelulósica empleando agua en la etapa de hidrólisis.

Tabla 2. Comparación de los procesos de obtención de bioetanol.

Materia prima Flujo másico Etanol [t/h]

Biomasa lignocelulósica + Lactosuero 7,57

Biomasa lignocelulósica + Agua 7,49

Lactosuero 2,55



Fig. 6. Diagrama de flujo de la producción del proceso de bioetanol a partir de

lactosuero.

Comparativamente se puede observar que el proceso en el que se utiliza como

materia prima lactosuero (solamente) permite obtener etanol con un bajo rendimiento tal

cual lo esperado, mientras que el desarrollo del proceso a partir de biomasa-agua arroja

un mejor rendimiento pero inferior al obtenido con el uso de cascarilla de arroz y

lactosuero en forma conjunta. De esta manera se verifica que la opción utilizada en el

desarrollo de este trabajo (cascarilla de arroz-lactosuero) se convierte en una mejor

alternativa frente a las otras.

Por otro lado, comparativamente con otros resultados reportados en la literatura, fue

posible observar que el modelo desarrollado en el presente trabajo predice rendimientos

de bioetanol que están en el mismo orden que otras plantas del mundo diseñadas con

escalas similares: por ejemplo, Friend et al. (1982) reportaron una producción de

bioetanol de 80 millones de litros anuales (9100 L/h) en una planta que procesa 160000

t/año de granos de maíz y 360000 t/año de lactosuero. Esto representaría una relación de

aproximadamente 200 L bioetanol por cada tonelada de lactosuero, empleando una

proporción de lactosuero:biomasa del orden de 2,25.

En nuestro caso, el modelo predice una producción anual de 89 millones de litros de

bioetanol (10200 L/h) a partir de 253000 t/año de biomasa y 770000 t/año de lactosuero,

lo cual vale decir que utilizando una proporción de lactosuero:biomasa de 3 (del orden

de la alcanzada en la optimización del modelo previo de Capdevila et al., 2015), el



proceso tiene un rendimiento de unos 115 L de bioetanol por cada tonelada de

lactosuero procesado.

4. Conclusiones

En este trabajo se desarrolló en el entorno Aspen HYSYS

un modelo de simulación

del proceso de obtención de bioetanol de segunda generación a partir de biomasas

residuales lignocelulósicas (cascarilla de arroz) en combinación con lactosuero (residuo

de industrias lácteas), abarcando las etapas de hidrólisis/fermentación/separación del

producto, como punto de partida para el modelado completo del proceso atendiendo a

dos problemáticas ambientales cruciales como son la inminente escasez del petróleo y la

disposición final de los residuos generados en las industrias de alimentos.

El modelo desarrollado permitió simular las operaciones necesarias para la obtención

de bioetanol a partir de suero de leche enriquecido con residuos lignocelulósicos. La

simulación predice una producción a la salida del proceso de 8,2 t/h con una riqueza de

91,9 % p/p en bioetanol (es decir, 7,57 toneladas de etanol puro por hora) a partir de

28,89 t/h de biomasa lignocelulósica pretratada y 88 t/h de alimentación de suero lácteo.

Reconocimientos

Los autores agradecen a la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de

Buenos Aires (UNICEN) por el financiamiento del proyecto a través de su Secretaría de

Ciencia, Arte y Tecnología (SECAT).

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