Diseño de una planta generadora de Bioetanol a partir de caña de azúcar

Abstract

El proyecto tiene por objetivo el diseño de una planta de bioetanol utilizando caña de azúcar como materia prima. El uso de dicho producto es su implementación como aditivo para naftas. La comercialización del bioetanol se encuentra regulada por el Ministerio de Energía de la República Argentina, quien establece los precios de venta y los límites de pureza aceptados. Para el desarrollo del trabajo, se tienen en cuenta factores tales como el mercado en el cual se inserta el producto, las tecnologías existentes, la sustentabilidad, la optimización energética y la rentabilidad. Se diseña una planta cuya capacidad nominal es 250.000 m³/año. Teniendo en cuenta la eficiencia de la operación, estimada en 94,5%; resulta una capacidad instantánea de 50 m3/h, considerando 24 horas de producción al día, durante 220 días al año. Para satisfacer dicha producción se requieren 804 t/h de caña sucia. Teniendo en cuenta la cercanía de la materia prima junto con otros factores de interés, la planta se ubica en la Provincia de Tucumán, en la localidad de Simoca. El bioetanol es producido mediante la fermentación de los azúcares presentes en el jugo de caña, en presencia de microorganismos. El subproducto principal es el dióxido de carbono. El proceso productivo consta de tres etapas generales: • Pretratamientos: recepción de la caña, preparación, molienda, clarificación y esterilización, • Fermentación: conversión química de azúcares, • Separación: deshidratación de la mezcla etanol- agua. Los pretratamientos se inician con el pesado de la caña de azúcar y su descarga en las mesas receptoras. Posteriormente, la materia prima es sometida a una l impieza en seco donde, además de dejar la caña en condiciones óptimas para la molienda, es posible recuperar el residuo agrícola de cosecha (RAC). La caña preparada se dirige a un tren de cinco molinos. A los molinos ingresa agua de imbibición, y las salidas son el bagazo (correspondiente a los desechos fibrosos de la caña) y el jugo azucarado. El jugo se dirige a una bomba que aumenta su presión, pasa por un intercambiador que eleva su temperatura y es enviado a un tanque flash. Luego, atraviesa un clarificador donde los sólidos remanentes decantan por efecto del calor. El lodo extraído en esta parte del proceso se denomina cachaza y es utilizada para compostaje de suelos. Para la etapa de reacción se estudian diversas posibilidades. Para la conversión del azúcar se opta por la levadura Saccharomyces Cerevisiae. La disposición de reactores elegida consta de un tren de tres fermentadores tipo tanque agitado continuo en serie, agitados con impulsores tipo Hydrofoil. A partir de las necesidades biológicas de la levadura en cuestión, las condiciones de operación en dichos tanques son 33°C, pH de 5,5 y una alimentación al tren de reactores con 40 g/L de levadura y 145 g/L de sustrato. Con el objetivo de separar y recuperar las levaduras, la corriente líquida de salida del tren de reactores ingresa a un conjunto de centrífugas que ejercen la separación. La porción líquida se dirige hacia la etapa de separación, mientras que la crema de levadura es recuperada dentro de un prefermentador. El prefermentador opera de manera continua. Allí se añaden agua, aire y nutrientes. Es importante tener en cuenta que todos los componentes que ingresan a este tanque son previamente esterilizados. Para el agua se realiza un tratamiento UV mientras que para el aire se utilizan filtros. Para la refrigeración del sistema de reacción se tienen en cuenta el calor generado por los a gitadores, el calor disipado hacia el ambiente exterior, la radiación solar y el calor de reacción. Luego de evaluar las distintas posibilidades, se opta por la refrigeración mediante intercambiadores de placas aguas arriba de cada fermentador utilizando un fluido refrigerante. Con el objetivo de generar un ingreso económico adicional y disminuir la huella de carbono en el planeta, se propone la recolección del dióxido de carbono formado en los reactores. El gas es sometido a una limpieza que consta de la recuperación del etanol arrastrado con agua, la deshidratación del gas utilizando glicerol y la desodorización con filtros de carbón activado. Finalmente, el gas es comprimido y refrigerado para su posterior venta como aditivo de bebidas gasificadas. Para la etapa de separación se propone la utilización de un arreglo de columnas de destilación. En la primera, es posible obtener por el tope una mezcla de composición cercana a la azeotrópica, mientras que por el fondo se obtiene el principal residuo de la planta: la vinaza. Este líquido contiene los restos de levadura y subproductos de reacción, con excepción del metanol que, por ser el único subproducto de alta volatilidad, acompaña al etanol por el tope. La vinaza es almacenada en tanques de gran área superficial, para luego ser retirada para su utilización como fertilizante. La segunda columna de destilación es de tipo extractiva. Como solvente se utiliza el glicerol. Este componente, además de presentar una alta performance como solvente extractivo, resulta un subproducto de la producción de biodiesel. De esta manera, se contribuye a la filosofía verde de la empresa. Por el fondo de la columna se obtiene una mezcla de agua y glicerol y, por el tope, una de etanol y metanol. Para la recuperación del solvente, se ingresa la mezcla a una columna recuperadora, que trabaja a baja presión para reducir la temperatura de trabajo y así evitar la descomposición del glicerol. El agua obtenida por el tope es recirculada a la primera columna de destilación, mientras que el solvente es recirculado a la columna extractiva. Finalmente, la mezcla de etanol y metanol es dirigida a una última torre de destilación, donde se obtiene por el fondo un etanol de pureza 99% v/v, con un contenido de agua de 0,6% v/v y de metanol 0,4% v/v. Por el tope se obtiene el metanol con una pureza 96% p/p, el cual corresponde a grado técnico y, por lo tanto, es comercializado como tal. Con el objetivo de disminuir al mínimo las necesidades de refrigeración y calentamiento de la planta, se propone la integración energética de las corrientes mediante la utilización del Método Pinch. Sin embargo, restan corrientes que requieren ser calentadas o enfriadas. Para satisfacer las necesidades de refrigeración de la planta, se propone la utilización de una torre de enfriamiento de agua. Ésta provee, en verano, agua a una temperatura de 27°C. De esta manera, es posible abastecer las etapas de pretratamiento y separación. Para la etapa de reacción, debido a que la temperatura dentro de los reactores es cercana a la de la torre de enfriamiento, es necesario contar con un sistema de refrigeración que permita disminuir los caudales requeridos. Por este motivo, se propone un ciclo donde el refrigerante primario es amoníaco, y el secundario una mezcla de glicol y agua. Como fluido calefactor para las etapas de pretratamiento y separación se utiliza vapor de servicio. Éste proviene de calderas de vapor cuyo combustible es la mezcla de bagazo y RAC proveniente de los pretratamientos. Las calderas operan a 60 bar y el vapor generado alimenta turbinas que accionan generadores eléctricos. De esta manera, es posible la obtención de 88,6 MWh de energía que permite abastecer las necesidades energéticas de la planta e inyectar 57,7 MWh a la red. Si bien el agua de refrigeración y el vapor suponen ciclos cerrados, tanto la torre como la caldera requieren agua de reposición. Este caudal, sumado a las corrientes de agua de imbibición, suministro al prefermentador y suministro a la torre lavadora de dióxido de carbono, suman un requerimiento total de 616 m3 /h. Para ello, se propone la extracción de agua subterránea, cuyo tratamiento requerido para la mayoría de las aplicaciones es mínimo. Para el caso del agua de reposición de la caldera se plantea un sistema de ósmosis inversa, cuyo rechazo es reutilizado como una porción del agua de imbibición de los molinos. Además, se diseñan preliminarmente el sistema de aire comprimido de la planta y las bombas requeridas a lo largo del proceso. También se realiza una aproximación del sistema de control y se define la configuración de tanques necesaria para el almacenamiento de productos y subproductos. Finalmente, se realiza un análisis de rentabilidad del proyecto. El mismo supone una inversión inicial total de USD 204.748.464. La TIR obtenida resulta 44,6%, frente a una TRMA de 30%. Este resultado, junto a un análisis de sensibilidad, permite concluir que el proyecto es viable y se recomienda su implementación. A continuación es posible observar un resumen del balance de masa global de la planta junto con el diagrama general que permite una mejor comprensión del proyecto. Mail autores Cabeza, Macarena <macu.cabeza@gmail.com>