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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
AUTOR SISTEMA CAPA SELECTIVA SOPORTE SELECTIVIDAD
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
Acero Inoxidable Poroso, Discos
13-42
T. Ikegami, et al (1999)
Caldos de Fermentación30ºC
Silicalita sintetizada in-situ
Acero Inoxidable Poroso, Discos
11-46
X. Lin,et al (2003)
5 %p/p Etanol 60ºC
Silicalita sintetizada in-situ
Mulita Tubos 90-106
α-Al2O3 Tubos 70-80
Acero Inoxidable Poroso, Tubos
30-35
9
MEMBRANAS COMPUESTASINTRODUCCIÓN
AUTOR SISTEMA CAPA SELECTIVA SOPORTE SELECTIVIDAD
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)
Spin Coating a 1000 rpm.
Spin Coating a 1000 rpm.
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.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
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.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
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
PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON MEZCLAS ETANOL-AGUA
PRUEBAS DE SELECTIVIDAD
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
Permeancia (Kg m-2 h-2 bar)
Fac
tor
de s
epar
ació
n
PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON MEZCLAS ETANOL-AGUA
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
*
PRUEBAS DE SELECTIVIDAD
26
3 3.5 4 4.5 5 5.518
20
22
24
26
28
30
32
Permeancia (Kg m-2 h-2 bar)
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. *
PRUEBAS DE SELECTIVIDAD
27
3 3.5 4 4.5 5 5.518
20
22
24
26
28
30
32
Permeancia (Kg m-2 h-2 bar)
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. *
PRUEBAS DE SELECTIVIDAD
28
Sistema Acoplado
Caldos de Fermentación
SSF CON Y SIN REMOCIÓN IN-SITU DE ETANOL
PRUEBAS DE SELECTIVIDAD
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)
PRUEBAS DE SELECTIVIDAD
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
34