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LIBRO DE RESUMENES

Editado por: Maria Cristina Murillo D

Angel Darío Gonzalez D Andrés Fernando Barajas S

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Libro de Resumenes V Congreso Internacional De Ciencia y Tecnología De los Biocombustibles CENTRO DE INVESTIGACIÓN PARA EL DESARROLLO SOSTENIBLE EN INDUSTRIA Y ENERGÍA © Todos los derechos reservados Editado por: Maria Cristina Murillo D. Angel Darío Gonzalez D. Andrés Fernando Barajas S. Primera Edición, 2012 ISBN: 978-958-46-0616-7 Diseño de caratula y diagramación: Andrés Fernando Barajas S. Impresión: Angel Darío Gonzalez D. EDITORIAL ANGEL DARÍO GONZALEZ D. Director: Angel Darío Gonzalez D. Teléfono: 7-6344000 Ext. 2603 E-mail: cisyc@uis.edu.co Bucaramanga, Colombia

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CONTENIDO Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico……...6 Biocombustibles y co-productos a partir de plantas oleaginosas………….92 Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas………………….131 Biorefinerías……………………………………………………………...197 Análisis de Ciclo de Vida de biocombustibles…………………………...231 Sostenibilidad de biocombustibles……………………………………….243 Biocombustibles en motores y corrosión…………………………..…….269 Biocombustibles sólidos …………………………………………………288

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CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA Y AMBIENTAL DE ESTU-FAS ECO-EFICIENTES CON BIOMASA LIGNOCELULÓSICA:

EFECTO DE LA ALTURA SOBRE EL NIVEL DEL MAR (Biocombustibles a partir de material lignocelulósico)

Diana S. Graciano, José A. Gómez y Juan F. Pérez*

Grupo de manejo eficiente de la energía – Gimel, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108 Medellín - Colombia, e-mail: juanpb@udea.edu.co

Introducción La Agencia Internacional de Energía (IEA), estima que cerca de 2.500 millones de personas dependen de la leña como su principal combustible para calefacción y cocción de alimentos, se espera que en el año 2030 dicha cifra ascienda a 2.700 millones a, además cerca del 5% de la mortalidad y la morbilidad se debe a la con-taminación del aire en espacios cerrados, según la Organización Mundial de la Salud b. En el departamento Antioquia-Colombia en los últimos años se vienen desarrollan-do proyectos de estufas de leña eco-eficientes, con el fin de obtener un mejor apro-vechamiento del combustible en los procesos de cocción y evitar la inhalación de los gases emitidos por la estufa. Es así como la corporación autónoma regional del Río Nare (CORNARE) por medio del proyecto “huellas” paso de 5600 estufas a 14000 entre 2008 y 2011. Antioquia posee gran variedad de pisos térmicos; sus alturas oscilan entre el nivel del mar hasta los 5 mil metros de altitud. Dada la va-riación de las condiciones atmosféricas con la altitud se desarrolla una caracteriza-ción del desempeño energético y ambiental de las estufas de leña eco-eficientes bajo protocolos de cocción estandarizados. Materiales y Métodos Las estufas estudiadas son tipo plancha instaladas por programas de la Goberna-ción de Antioquia. La biomasa lignocelulósica utilizada como combustible es ma-dera de Pino Patula (CH1.573O0.501N0.013S0 – 19154.45 kJ/kg), por su gran potencial energético y aplicabilidad para huertos leñeros. Los ensayos se desarrollaron si-guiendo los protocolos de las pruebas de ebullición de agua y cocción controlada (WBT y CCT, por sus siglas en inglés) en los municipios de Sopetrán (678 msnm) y El Peñol (1976 msnm). La caracterización de las estufas en función de la altura se desarrolló mediante dos diseños estadísticos de experimentos. Resultados y discusión En la prueba WBT en frío [Figura 1], la eficiencia se redujo un 24% con el incre-mento de la altitud, mientras que el consumo específico de combustible aumentó un 27,3% debido principalmente a la variación de la densidad del aire. Para la prueba WBT en caliente [Figura 2], la eficiencia de la estufa se redujo en un 12,35% con la altitud. La menor tasa de reducción de la eficiencia en caliente se debe a que ya se había vencido la inercia térmica en la estufa; sin embargo, la re-

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ducción de la densidad afecta el proceso de combustión, por la menor disponibili-dad de oxígeno. En la prueba CCT [Figura 3], el consumo específico de combustible y las emisio-nes de gramos de CO2/kg de alimento aumentaron con la altitud 15,3 y 16%, res-pectivamente [Figura 4], debido principalmente al incremento en el tiempo de coc-ción lo que genera un mayor consumo de combustible.

Figura 1. Prueba WBT en frío

Figura 2. Prueba WBT en caliente

Figura 3. Prueba CCT

Figura 4. Emisiones Específicas CCT

Los errores experimentales de las mediciones son ±0,27% en la eficiencia de las pruebas WBT, ±0,27 g/kg en el consumo específico de las pruebas CCT y ±0,034 min en el tiempo de cocción de las pruebas CCT. Conclusiones Se observó que la altura sobre el nivel del mar es un parámetro relevante en el des-empeño de la estufa eco-eficiente. La prueba CCT es la más adecuada para la ca-racterización de una estufa de biomasa, ya que es la que más se aproxima a la for-ma en que es usada comúnmente. Las emisiones específicas se incrementan a ma-yor altura, por tanto se identifica la necesidad de rediseñar dichas estufas según su ubicación en aras de optimizar el proceso.

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Agradecimientos: A las personas que facilitaron las estufas para la realización de las pruebas, al grupo GIMEL, y al proyecto “Sostenibilidad 2011-2012” de la Universidad de Antioquia. Referencias a. International Energy Agency. World energy outlook 2006. Paris: IEA, 2006. p. 66.) b. Organización Mundial de la Salud. Nuevos datos de los países muestran la pesada carga de la contaminación del aire en espacios cerrados. Ginebra 30 de Abril de 2007

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ANÁLISIS PARAMÉTRICO DEL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE MADERAS CON POTENCIAL DENDROENERGÉTICO EN

COLOMBIA: ESTUDIO EXPERIMENTAL EN LECHO FIJO (Biocombustibles a partir de material lignocelulósico)

Yuhan A. Lenis a, Luis F. Osorio b, Juan F. Pérez a,*

a Grupo de manejo eficiente de la energía – Gimel, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108

Medellín - Colombia, e-mail: juanpb@udea.edu.co b Grupo de Ecología y Silvicultura de Especies Tropicales, Universidad Nacional de Colombia sede

Medellín. Calle 59A No 63-20 - Núcleo El Volador, Medellín – Colombia. Introducción Buscando diversificar la canasta energética Colombiana, proporcionando de una manera eficiente y amigable con el medio ambiente energía eléctrica a las zonas no interconectadas (ZNI), se plantea el uso de biomasa (madera) como energético renovable para la generación de energía eléctrica. En este sentido las tecnologías más desarrolladas para estas aplicaciones son la ga-sificación y la combustión. Considerando que la demanda de energía eléctri-ca característica de las ZNI Colombianas es inferior a 2000 kWe, y teniendo en cuenta los altos costos de inversión inicial de los sistemas de conversión mediante combustión aptos para potencias superiores a 10 - 15 MWe, la tecnología que mejor se adapta a los proyectos de generación de potencias bajas-medias es la gasificación en lecho fijo acoplada a motores de combus-tión y generador [1-3]. Se analiza experimentalmente el proceso de gasificación de biomasa en le-cho fijo equicorriente, considerando las cinco especies forestales con mayor potencial dendroenergético en Colombia [4]. Dicho potencial fue definido considerando turnos biológicos, incrementos medios anuales, hectáreas plantadas y capacidad de crecimiento en suelos degradados. Materiales y métodos Considerando el índice medio anual, las tasas de crecimiento y el número de hectáreas plantadas, las especies forestales con mayor potencial dendroe-nergético en Colombia son: Acacia Mangium (CH1.519 O0.561N0.005), Pinus Patula (CH1.573 O0.501N0.013), Pinos Maximinoi (CH1.552O0.521N0.008), Euca-lyptus grandis (CH1.517 O0.552 N0.006) y Gmelina Arborea (CH1.584O0.556 N0.008). Los experimentos fueron desarrollados en un gasificador de lecho fijo equicorriente con 0.102 m de diámetro interno y longitud del lecho de 0.5 m, utilizando aire como agente gasificante, bajo la premisa de igualdad

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de velocidad superficial del aire (SV=0.1 m/s). El campo de temperatura fue censado utilizando 9 termopares tipo K separados entre sí 30 mm y ubi-cados a lo largo del lecho. Partiendo del campo de temperatura obtenido (Figura 1), de los gases medidos (Figura 2) y de las medidas de flujo de agente gasificante, se calculan los parámetros de desempeño del proceso para cada biomasa, tales como: velocidad del frente de llama, tasa de con-sumo de combustible, rendimientos (energético y de conversión de combus-tible), poder calorífico del gas, relación combustible/aire real y temperatura máxima. Resultados y discusión En general para todas las biomasas evaluadas se encontraron rendimientos energéticos en frío entre 26 y 32 %, con un poder caloríficos del gas de gasi-ficación entre 2.6 y 2.9 MJ/Nm3, estos valores, inferiores a los registrados en plantas piloto, se deben a las condiciones transitorias de los experimen-tos, lo cual deriva altas tasas de pérdidas de calor por tratarse de una instala-ción experimental tipo bache. Los menores rendimientos en frío fueron hallados para la Gmelina y el Eucalyptus debido a su baja densidad aparente y mayor contenido de humedad, respectivamente. Buscando determinar la influencia de cada una de las propiedades físico-químicas de las maderas se realiza un estudio de sensibilidad considerando la humedad, poder calorífico. Donde se destaca que a mayor poder calorífi-co aumenta el rendimiento en frío del proceso (Figura 3). Esto se debe a la mayor temperatura de reacción asociada a las reacciones exotérmicas que promueven las reacciones exotérmicas y con ello la producción de gases combustibles como el monóxido de carbono, hidrógeno y metano.

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(°C)

Tiempo (s)

Qaire

Figura 1. Campo típico de temperatura

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CO CO2 CH4 H2

Com

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Especies gaseosas

Maximinoi

Patula

Eucalyptus

Acacia

Gmelina

Figura 2. Composición del gas pobre obtenido

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18400 18500 18600 18700 18800 18900 19000 19100Ef

icie

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frío

[%]

PCIbms [kJ/kg]

P. Maximinoi

P. Patula

Eucalytus

Gmelina

Figura 3. Eficiencia en frío en función del PCI de la biomasa

Conclusiones - La gasificación acoplada a motor generador es el proceso que mejor se adapta

para la conversión de biomasa a energía eléctrica en potencias inferiores a 2000 kWe. Potencias de gran aplicación para zonas no interconectadas y para proyectos de generación con biomasa residual.

- Las especies forestales de mayor potencial energético en Colombia son: Acacia mangium, Pinus Patula, Pinus Maximinoi, Eucalyptus grandis y Gmelina Ar-borea. Este potencial fue definido considerando factores de crecimiento, pro-ducción, hectáreas plantadas y capacidad para crecer en suelos degradados.

- El rendimiento en frío del proceso varió entre 26 y 32 %, mientras el PCI del gas pobre se encontró entre 2.6 y 2.9 MJ/Nm3, el menor PCI se obtuvo para la gasificación de Gmelina y el mayor para el Eucalyptus. Los mejores resultados se obtienen para las biomasas con menor contenido de humedad y mayor den-sidad aparente.

- Los parámetros de operación con mayor efecto en el proceso son la humedad y densidad de la biomasa. A mayor contenido de humedad y menor densidad aparente disminuyen la velocidad del frente de llama, la calidad del gas obteni-do y el rendimiento del proceso.

Agradecimientos: Los autores agradecen la financiación del proyecto “Generación de energía eléc-trica mediante gasificación de madera proveniente de plantaciones forestales” por parte del Centro de Investigación e Innovación en Energía – CIIEN.

Referencias

1. P. Quaak, H. Knoef, and H. Stassen, Energy from biomass. A review of combustion and gasification technologies., ed. W.B.T.P.N.E. series. 1999, Washington, D.C.

2. A.V. Bridgwater, "The technical and economic feasibility of biomass gasif ication for pow-er generation". Fuel. 74(5). 1995. pp. 631-653.

3. J. Pérez, Y. Lenis, and S. Rojas, "Decentralized power generation through biomass gasifica-tion: a technical - economic analysis and implications by reduction of CO2 emissions". Submitted to Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia. 2011. pp.

4. Y. Lenis, A. Molina, L. Osorio, and J. Pérez, "Parametric analysis of gasification process for wood with energy potential in Colombia: An Experimental Study". Submitted to Bioresource Technology. 2011. pp.

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OBTENCIÓN DE ALCOHOL A PARTIR DE DESECHOS DE LA CAÑA DE AZÚCAR

(Biocombustibles a partir de material lignocelulósico)

Jorge Enrique López G.1 y Luz Marina Flórez P.2

1. Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, Grupo Interinstitucional de Investigación en Biocombustibles, GRUBIOC jorge.lopez@correounivalle.edu.co

2. Universidad Autónoma de Occidente, Grupo Interinstitucional de Investigación en Biocombusti-bles, GRUBIOC, lmflorez@uao.edu.co

Introducción Una de las mejores perspectivas para aprovechar los abundantes desechos agro-industriales, especialmente de tipo lignocelulósico, es aplicar el concepto de biorre-finerías para basados en los principales compuestos que éstos tienen (celulosa, hemicelulosa, lignina y proteínas principalmente), obtener diferentes bioproductos (papel, combustibles sólidos y líquidos, xilosa y concentrados de alimentos para animales, entre otros). El grupo Inter-institucional de investigaciones en biocom-bustibles GRUBIOC, viene trabajando en esta dirección, evaluando inicialmente la factibilidad técnica para obtener etanol a partir de los desechos de la caña de azúcar generados en la pos-cosecha, principalmente hojas y cogollos (más de siete millo-nes de toneladas por año). Materiales y Métodos Considerando que en este momento las variedades más cultivadas en los ingenios azucareros colombianos son la CC8475, la CC8592 y la V7151 (representan alre-dedor del 90% de las especies sembradas), se tomaron muestras representativas de los desechos en cuestión, para analizarlas física y químicamente por diferentes métodos analíticos. Luego se buscaron pre-tratamientos físicos y/o químicos, espe-cialmente de tipo no convencional (explosión con vapor, micro-ondas y ultrasoni-do, entre otras), para relajar la fibra y facilitar la des-lignificación. Para la desligni-ficación se probaron ataques químicos (con bases y ácidos), enzimáticos y micro-biológicos (especialmente a partir de hongos). Para hidrolizar los polisacáridos remanentes en los residuos de la caña de azúcar, se investigaron métodos químicos (con álcalis y ácidos), y enzimáticos (considerando mezclas sinergísticas de enzi-mas comerciales). Luego se realizaron ensayos relacionados con la fermentación. Todos los microorganismos utilizados en esta investigación, provinieron de la se-lección de análisis de cepas promisorias de muestreos realizados en diferentes par-tes del Valle del Cauca, considerando los medios más propicios de propagación ambiental.

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Resultados y discusión. Los desechos de las tres variedades analizadas, no presentaron diferencias signifi-cativas en los contenidos de los compuestos principales, además considerando los contenidos de celulosa y hemicelulosa, potencialmente a partir de los polisacáridos presentes, el 60% de dichos desechos son factibles de convertirlos en azúcares simples. Los azúcares simples más abundantes de las hexosas, es la glucosa y de las pentosas es la xilosa. Basados en los ensayos de pre-tratamiento realizados, se encontró que para facilitar la deslignificación, siempre es necesario hacer un ataque químico de las paredes celulares de las fibras. Dentro de todas las técnicas ensaya-das, la técnica que mejor funcionó, fue la de realizar primero un tratamiento corto con ultrasonido seguido de un ataque enzimático con hongos de pudrición blanca, de esta forma se logró hacer una deslignificación cercana al 60% que según lo re-portado en la literatura, es un valor bastante aceptable. El ataque con alcohol y explosión con vapor, fue el método que mejor funcionó para la deslignificación de los desechos, lográndose deslignificaciones cercanas al 80% si se hace simultá-neamente la explosión con vapor, sin embargo es necesario a nivel industrial recu-perar el alcohol utilizado, para lo cual es necesario implementar un sistema de se-paración de fases y de destilación del líquido remanente o incluso usando tamices moleculares para concentrar al máximo el alcohol antes de volverlo a utilizar. En las investigaciones relacionadas con los procesos de hidrólisis de las hojas y cogollos de la caña de azúcar dejados en el campo, para muestras con diferentes contenidos de lignina, se encontró que es indispensable la sinergia enzimática, que la lignina inhibe significativamente el proceso a partir de concentraciones mayores a 25% y que es posible hacer sacarificaciones de alrededor del 92% con una mezcla enzimática que tenga actividades enzimáticas variadas para facilitar el ataque de las paredes celulares del material lignocelulósico. En el caso de las fermentaciones, la mayor parte de los microorganismos nativos seleccionados como promisorios, son más del tipo levaduras que bacterias, pero aún no se ha podido definir bien cual puede competir mejor con las convencionales, debido a que aún hay problemas de escalamiento, y cada especie presenta ventajas y desventajas diferentes con respec-to a esas convencionales; particularmente se ha encontrado que algunas son más tolerantes al alcohol. Agradecimientos:Los autores agradecen el soporte financiero dado al proyecto 2007D-3719-346-07 por el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, y los apoyos dados por la Universidad del Valle y la Universidad Autónoma de Occidente. Conclusiones

• Es posible obtener etanol a partir de los desechos de pos-cosecha de la caña de azúcar, deslignificando hasta un 80% con pretratamientos y ataques con organosolventes, hidrolizando luego los polisacáridos en más de un 90% con mez-clas de enzimas y fermentando con levaduras nativas para la posterior destilación.

• La lignina es el compuesto que más afecta los procesos relacionados con la obtención de etanol a partir de las hojas y cogollos de la caña de azúcar.

• Hay microorganismos nativos de fermentación que pueden utilizarse para obtener etanol a partir de las hojas y los co-gollos de la caña de azúcar, pero debe explorarse más la búsqueda y los estudios, para encontrar todos los potenciales que éstos pueden tener y competir con los comerciales.

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CARACTERIZACIÓN DE BIOMASA RESIDUAL DE LA COSE-CHA Y TRANSFORMACIÓN PRIMARIADEL Pinus radiata D.

DON (Biocombustibles a partir de material lignocelulósico)

R.Carmona 1, J.S Vecino 2 y R. A. Elgueta 1

1. Universidad de Chile, grupo de investigación Biocomsa Santa Rosa 11315

email: recarmon@uchile.cl 2. Universidad Industrial de Santander, Cra. 27 Calle 9

e-mail: jusevema13@hotmail.com Introducción: Con miras a la obtención de energía a partir de material lignocelulósico, el presente estudio tiene como objetivo la caracterización de la biomasa residual de la cosecha y transformación primaria del Pinus radiata D. Don, principal especie forestal productiva de Chile. En particular, el Pino Insigne actualmente posee 1,4 millones de hectáreas, establecidas para diversos fines entre las regiones V y X Con una corta anual de 50 mil hectáreas, las que generan importantes cantidades de madera residual en la extracción y procesamiento industrial, que representan una oportuni-dad para recolectar y procesar dicha biomasa como materia prima para la obtención de energía a. Así, el país austral pretende contribuir a diversificar su matriz energé-tica, logrando una mayor independencia respecto a los combustibles fósiles, en su mayoría importados, disminuyendo el impacto ambiental y los costos de energía haciendo más competitiva la industria nacional.

Materiales y Métodos Se utilizaron residuos de industria y cosecha forestal de 2 importantes regiones plantadas con la especie de Chile como lo indica la Tabla 1

Tabla 1. Material de estudio

Localidad Región Origen Tipo Residuo

Pantanillos (Pred io U de Chile)

VII (20208 ha plantadas) b

Industria Corteza Madera

Cosecha Madera Corteza

Mix

Arauco (Predio Forestal Arauco)

VIII (25421 ha plantadas) b

Industria Corteza Madera

Cosecha Madera Corteza

Mix

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1. Muestreo: fue realizado según las normas UNE-CEN/TS 14778-1 y UNE-CEN/TS 14778-2 c. 2. Pretratamiento y análisis físico: con las condiciones en que se trajo el material del terreno, se midió el contenido de humedad y densidad aparente según la norma CEN/TS 15103 d. Posteriormente, se midió la densidad básica de solo la madera de ambos predios. El material se dejo 1 semana secando al aire, fue astillado y se re-dujo su tamaño con ayuda de un molino de laboratorio Wiley. Finalmente, fue cla-sificado en granulometrías de 0,1-0,25-0,4 mm mediante tamizado.

3. Análisis químico: se determinó la cantidad de extraíbles, lignina e inorgánicos según la norma T 204 om-97 e, T 264 om-97 f, T 207 om-99 g, T 211 om-85 h, T 222 om-88 i.

4. Análisis energético: se midió el poder calorífico superior según la norma DIN 51900 j.

Resultados

Tabla 2 Resultados parciales de propiedades físicas, químicas y energéticas de Pinus radiata de la VII y VIII región de Chile

Corteza Madera Corteza Madera Mix Corteza Madera Corteza Madera Mix Astillas126,50 143,24 112,73 61,58 54,73 104,17 189,07 73,86 73,98 90,30 -

- - - 0,43 - - - - 0,44 - -272,97 271,61 - - 116,92 191,80 201,08 - - 152,41 320,86

2,51 0,55 3,82 0,63 2,80 4,20 0,52 4,16 0,623 7,62 -%Etanol- Tolueno 11,56 2,06 12,55 3,28 9,05 19,87 15,08 5,68 -

%Etanol 1,31 0,06 0,41 0,01 0,42 1,06 1,04 0,28 -

%AguaEn

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Poder Calorífico Superior [cal/g]

% HumedadDens. Básica [g/cm3]

Dens. Aparente [Kg/m3]%Cenizas

Físicas

Propiedades

Químicas

PANTANILLOS ARAUCOIndustria Cosecha Industria Cosecha

Extríbles

%Lignina

Discusiones El alto contenido de humedad del material en estudio, sin duda, afecta de manera negativa la obtención de energía mediante combustión; debido a que una parte considerable de la energía se emplea en evaporar el agua. Para un mejor aprove-chamiento se hace necesario incluir un proceso de secado en campo o en planta como pretratamiento de forma que este sea técnica y económicamente factible o un mezclado con otro material residual más seco (por ejemplo el desecho de madera elaborada). Respecto a las densidades del material en estudio, tanto en el caso de la básica co-mo la aparente, se encontraron valores bajos (madera ligera), por lo tanto si se

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quiere generar una cierta cantidad de calorías, el volumen a combustinar deberá ser mayor en comparación a materiales más densos. Para aumentar la densidad aparen-te y consecuentemente disminuir los costos de manipulación, parece conveniente densificar el material mediante, compactación, astillado u otros procesos (torrifica-ción). En vista de los valores de inorgánicos obtenidos, los altos contenidos de cenizas encontrados en el mix y las cortezas, se espera que generen una disminución en el poder calorífico. Sin embargo, se piensa que el alto contenido de extraíbles encon-trados amortiguarán considerablemente dicha reducción. Cabe mencionar, que la importancia de conocer la cantidad de lignina presente en el material influyen positivamente en el poder calorífico. Sin embargo, en el caso de optar por una via bioquímica para el uso de estas mate-rias primas, la lignina representa una barrera para acceder a los carbohidratos, paso fundamental para la obtención de bioetanol

Referencias a. Bertran Spichiger, J., & Eduardo, M. V. (Enero de 2008). Potencial de Generación de Energía por Residuos del Manejo Forestal en Chile. Santiago, Chile: Proyecto Energías Renovables No Conven-cionales en Chile (CNE/GTZ). b. Instituto Forestal de Chile INFOR. (2008). Acerca de nosotros: INFOR. Recuperado el 10 de Oc-tubre de 2011, de Sitio Web del INFOR: http://www.infor.cl/archivos/series_estadisticas/recurso5.pdf c. UNE-CEN/TS 14778. Biocombustibles sólidos. Muestreo. Parte 1: Métodos de muestreo. Parte 2: Métodos para el muestreo de material en partículas transportado en camiones d. CEN/TS 15103. “Solid biofuels - Methods for the determination of bulk density e. T 204 om-97. Solvent extractives of wood and pulp f. T 264 om-97. Preparation of wood for chemical analysis g. T 207 om-99. Water solubility of wood and pulp h. T 211 om-85. Ash in wood, pulp, paper and paperboard: Combustion at 525°C. i.T 222 om-88: Acid-insoluble lignin in wood and pulp. j.DIN 51900-:2000. Testing of solid and liquid fuels - Determination of gross calorific value by the bomb calorimeter and calculation of net calorific value - Part 1: Principles, apparatus, methods.

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ENZIMAS CLAVES EN LA HIDRÓLISIS DE RESIDUOS DE LA COSECHA CAÑA DE AZÚCAR (HOJAS Y COGOLLOS)

(Biocombustibles a partir de material lignocelulósico)

Jairo G. Salcedo M.1, Luz Marina Flórez P.2 y Jorge Enrique López G.3

1. c. Ph.D. Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, Grupo Interinstitucional de Inves-tigación en Biocombustibles, GRUBIOC jairo.salcedo@unisucre.edu.co

2. Universidad Autónoma de Occidente, Grupo Interinstitucional de Investigación en Biocombusti-bles, GRUBIOC, lmflorez@uao.edu.co

3. Universidad del Valle, Grupo Interinstitucional de Investigación en Biocombustibles, GRUBIOC, jorge.lopez@correounivalle.edu.co

Introducción En el Valle del Cauca se producen alrededor de 7 millones de toneladas por año de residu-os lignocelulósicos constituidos principalmente por hojas y cogollos, que pueden ser valori-zados hacia etanol de segunda generación. Para una eficiente hidrólisis de estos residuos hasta azúcares simples, es necesario desarrollar una combinación sinergística de enzimas capaces de hidrolizar la celulosa y hemicelulosa. Por tal razón, este artículo tiene por objeto mostrar los avances en la investigación en la hidrólisis enzimática de los residuos de cosec-ha de la caña de azúcar, principalmente hojas y cogollos, etapa fundamental para obtener azúcares simples (de seis y de cinco carbonos) como base para la producción de bioetanol. Materiales y Métodos 2.1 Medida de actividad enzimática en enzimas comerciales. Se midió la actividad celulolítica expresada como unidades FPU (Unidades de Papel Filtro) (1) y la actividad hemicelulasa como la suma de las actividades xilanasa (2), galactosidasa(3), mananasa (4) y ramnosidasa (5), en 11 enzimas comerciales de casas comerciales como Genencor. A partir del espectro enzimático encontrado en cada enzima comercial, se hizo una combina-ción entre ellas con la ayuda del software Solver de Microsoft Excel®, a fin de preparar cinco cocteles con diferentes actividades celulolíticas expresadas Estos cinco cocteles se codificaron como E1, E2, E3, E4 y E5. Se evaluó el efecto de cada coctel enzimático sobre los diferentes substratos, con el índice de sacarificación (6). 2.2 Preparación de sustratos. Las hojas y cogollos usadas en este estudio procedieron de las variedades CC 8475, CC 8592) y fueron suministrados por Cenicaña El primer sustrato (S1) correspondió al control, al que no se le hizo ningún tipo de tratamiento. El material lignocelulósico (S2), se preparó de acuerdo al protocolo desarrollado por Mutis [7]. A las muestras tratadas se le determinó humedad, Número de Kappa [32] y el contenido de celu-losa, hemicelulosa , lignina, extractivos y cenizas por el método Van Soest [8]. 2.3 Evaluación de enzimas. A partir de las mezclas de actividades enzimáticas obtenidas a partir de las enzimas comerciales (5), se obtuvieron curvas de progreso de la reacción a partir de de diferentes relaciones enzima/sustrato E/S (0.05, 0.1, 0.2, 0.3) para el sustrato pretratado. La reacción se realizó en soluciones buffer acetato a pH 4.8 con una relación sólido/líquido de 6:100 a una temperatura de 40 oC. Se tomaron muestras a tiempos de

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reacción de (0, 2, 6, 9, 24 y 28 horas), a las que se les determinó azúcares reductores por el método de DNS [9]. Resultados y discusión. El substrato control tuvo 36.6% de celulosa, 33.5% de hemicelulosa y 21% de lignina, mientras que el tratado tuvo77.5 % de celulosa, 12.9% de hemicelulosa y 9.9% de lignina. El perfil enzimático de los cinco complejos en estudio, se presenta en laTabla 1. Se observa que hay unos más ricos en activadades celulolíticas, mientras que otros en actividades hemicelulolíticas.

Tabla 1. Espectro de Actividades enzimáticas de los complejos de enzimas seleccionadas

Enzima Hemicelulasa (UI Global)

Celulasa (FPU/ml)

E1 14 37

E2 129.4 0.073

E3 107 18

E4 113.14 9.36

E5 52.75 27.53

En la Figura 1 se observa que a pesar de tener un substrato rico en celulosa, se necesita aplicar un coctel balanceado entre enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas para lograr un buen grado de sacarificación.

Figura 1.Grado de sacarificación con los diferentes cocteles de enzimas.

Agradecimientos:Los autores agradecen el soporte financiero dado al proyecto 2007D-3719-346-07 por el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, la Universidad Autónoma de Occidente y la Universidad del Valle. Conclusiones

• El índice global de hidrólisis puede ser usado como una prueba preliminar para de-terminar la eficiencia de los cocteles de enzimas en la hidrólisis de sustratos lig-nocelulósicos

19

• La concentración de lignina tiene un efecto sobre la acción de la hidrolítica de las enzimas usadas en la degradación de material lignocelulósico, en este caso los re-siduos de la caña.

• La acción sinérgica de actividades enzimáticas se refleja en una mejor velocidad de hidrólisis. Es así, como enzimas que presenten una buena distribución de acti-vidades enzimáticas acorde con su composición, caso de la enzima E5 son las en-zimas claves para la hidrólisis de los residuos de caña de azúcar.

Bibliografía [1] MANDELS, M. ANDREOTTI, R. ROCCHE, C. biothecnol. Bioing. Symp, 6- 17, 1976 [2] [BAILEY, M, BIELY, P. POUNTANEN, K. Interlaboratory testig of methods for assay of xylanase activity. Journal of Biotechnology. 23, 257 – 270, 1992 [3] MEGAZYME INTERNATIONAL IRELAND LIMITED LTDA. Assay of endo 1-4-β-D Galactanase using AZO –GALACTAN (AGALP), 2009 [4] MEGAZYME INTERNATIONAL IRELAND LIMITED. Assay of 1-4-β- endo Mannanase using AZO- CAROB GALACTOMANNAN, 2009 [5] MEGAZINE INTERNATIONAL IRELAND LIMITED, Assay oF RhamnogalacturonanaseUsing Azo- Rhamnogalacturonan AZRH 11/99), 2009. [6] GHOSE, T.K. Measure cellulose activities, Pure & Appl. Chem., Vol. 59, No. 2,. 257-268, 1987 [7] MUTIS, D. Delignificación de residuos de la caña de azúcar (hojas y cogollos) con procesos químicos, Tesis de grado, Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, 2009 [8] VAN SOEST, P. J. Use of detergents in the Analysis of fibrous feeds. I. Preparation of fiber residues of low nitrogen content. Journal of the AOAC, 46(5), 829 – 835, 1983 [9] MILLER, G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugars. Analyt-ical chemistry, 31,. 426- 426, 1959

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VARIABLES DE OPERACIÓN QUE INFLUENCIAN LA HIDRÓLI-SIS ENZIMÁTICA DE RESIDUOS (HOJAS Y COGOLLOS) DE LA

COSECHA CAÑA DE AZÚCAR (Biocombustibles a partir de material lignocelulósico)

Jairo G. Salcedo M.1, Luz Marina Flórez P.2 y Jorge Enrique López G.3

1. c. Ph.D. Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, Grupo Interinstitucional de Inves-

tigación en Biocombustibles, GRUBIOC jairo.salcedo@unisucre.edu.co 2. Universidad Autónoma de Occidente, Departamento de Energética y Mecánica, Cali, Grupo Inter-

institucional de Investigación en Biocombustibles, GRUBIOC, lmflorez@uao.edu.co 3. Universidad del Valle, Escuela de Ingeniería Química, Cali, Grupo Interinstitucional de Investiga-

ción en Biocombustibles, GRUBIOC, jorge.lopez@correounivalle.edu.co Introducción Particularmente en la búsqueda de la producción de alcohol carburante de residuos de caña de azúcar, se han propuesto diferentes alternativas para la producción de azúcares simples como la hidrólisis química y diferentes pretratamientos del material lignocelulósi-co, seguido de hidrólisis enzimática. Este proceso originó un macroproyecto en el cual se involucra el presente trabajo. Después de encontrar un complejo enzimático que es capaz de hidrolizar los residuos deslignificados de la caña de azúcar, es importante evaluar las varia-bles de operación que más afectan el proceso y el cual fue el objeto del presente trabajo. Materiales y Métodos 2.1 Pretratamiento. Los residuos de la cosecha de la caña variedades CC 8475 - CC 8592 y que fueron suministradas gentilmente por Cenicaña, fueron secados y molidos hasta que el 94.5% del material pasara una malla 10, dejando aparte el 22% que pasó la malla 60. El material lignocelulósico (S1), se pretrató y deslignificó de acuerdo con el protocolo desar-rollado por Mutis [1]. A las muestras tratadas se le determinó humedad, Número de Kappa [2] y el contenido de celulosa, hemicelulosa , lignina, extractivos y cenizas por el método Van Soest [3]. 2.2 Evaluación del pH y temperatura sobre la actividad de la enzima. La enzima que se usó en la evaluación de las variables de proceso, estuvo conformada por una mezcla de actividades enzimáticas (celulasas, hemicelulasas y pectinasas) de enzimas comerciales producidas por Genencor internacional, Inc, y donadas por Merquiand LTDA. El sustrato S1 se utilizó para determinar a qué condiciones de temperatura y pH las enzimas se ex-presan su mayor actividad. Se recurrió a un diseño experimental rotacional compuesto para evaluar las variables pH y T, además de su inter-relación. Los niveles de tiempo fueron de una y tres horas, y los del pH fueron cinco niveles (3.5, 3.8, 4. 4.5 y 5). Las reacciones enzimáticas se realizaron en tubos de ensayo de diez mililitros teniendo como medio de calentamiento un baño termostático con control de temperatura. Se utilizó una relación enzima /sustrato de 0.3 ml/g, en cinco mililitros de citrato de sodio 0.05 M como buffer. Cada 10 minutos se agitaron las muestras hasta cumplir el tiempo de reacción. Al final de cada ensayo, las muestras se centrifugaron a 5000 rpm en una centrifuga Marca Beckman®, Modelo 5414. El líquido sobrenadante se centrifugó nuevamente a 14000 rpm y -5 oC

21

durante diez minutos. Al sobrenadante final se le determinaron los azúcares reductores por el método DNS [4]. Resultados y discusión. Características del sustrato. Los residuos de la caña de azúcar, tenían un contenido porcentual de celulosa en base húmeda de 37.6%, 33.5% de hemicelulosa y 21.23% de lignina. Después del pretratamiento, los contenidos quedaron en 80.5% de celulosa, 13.4% de hemicelulosa y 1.4% de lignina, respectivamente. Comparando varios trabajos bibliográ-ficos con pretratamiento organosolvente en pinus radiata [5] y bagazo de caña de azúcar [6], con lo reportado en este artículo, se observa que el tratamiento realizado fue muy bue-no, incluso manteniendo una buena cantidad de hemicelulosa en el sólido. Condiciones de operación de la enzima. Las mezclas de enzimas comerciales se caracterizaron por tener una distribución balanceada de sus actividades enzimáticas, las cuales están dirigidas a la degradación de la celulosa y la hemicelulosa. La superficie de respuesta encontrada (correlación 0.9864, 95% de confianza), muestra un mayor efecto del pH que el de la temperatura en la producción de azúcares reductores (figura 1). El área de hidrólisis máxima para el sustrato S1 corresponde a una temperatura cercana a los 50 oC y a un pH entre 4 y 4.4.

Figura1. (Superficie de respuesta para la hidrólisis del sustrato S1 en función de temperatura y pH. El cambio de los azúcares reductores producidos en la hidrólisis del material S1 en un ran-go de pH ajustado al rango máximo de producción de estos (ver gráfica derecha), muestra valores máximos para un pH entre 3.8 y 4.2. Estos resultados están dentro de los rangos propuestos para mezclas de enzimas como: endoglucanasa y beta glucosidasa (Temperatura 50- 60 oC y pH 4.5), endoglucanasa y xilanasa (temperatura 45- 65 oC y pH 3.5 – 6.5). En forma similar, para betaglucosidasa (temperatura 30 – 55 oC, pH 4- 6) y para hemicelulasas (50 - 75 oC, pH 4- 7) [7] Conclusiones Las condiciones encontradas como mas favorables para la hidròlisis enzimàtica de los resi-duos de cosecha de la caña de azúcar, con un pH entre 4 y 4.4. y una temperatura de 50°C, estàn de acuerdo con los rangos en los cuales las actividades celulolíticas y hemicelulolíti-cas expresan su mayor actividad.

22

Agradecimientos:Los autores agradecen el soporte financiero dado al proyecto 2007D-3719-346-07 por el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, la Universidad Autónoma de Occidente y la Universidad del Valle. Referencias [1] MUTIS, D. Delignificación de residuos de la caña de azúcar (hojas y cogollos) con procesos químicos, Tesis de grado, Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, 2009 [2] TECHNICAL ASSOCIATION OF THE PULP AND PAPER INDUSTRY. Kappa number of pulp. T 236 om-99. Canada: TAPPI, 1999. [3] VAN SOEST, P. J. Use of detergents in the Analysis of fibrous feeds. I. Preparation of fiber residues of low nitrogen content. Journal of the AOAC, 46(5), 829 – 835, 198 [4] MILLER, G.L. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugars. Analyt-ical chemistry, 31,. 426- 426, 1959. [5] SAAD, M.B.W. OLIVIERA, L.R.M. CANDIDO, R.G. QUINTANA, G y ROCHA G. prelim-inary studies on fungal treatment of sugar cane straw for organosolv pulping. Enzyme and Microbial Technology. 43, 220-225, 2008. [6] MESA, L. GONZALES, E. RUIZ, E. ROMERO, I. CARA, C. FELISSIA, F y CASTRO, E. Preliminary evaluation of organosolv pre-treatment of sugar cane bagasse for glucose production: Application of 23experimental design. Applied Energy. 87, 109-114, 2010 [7] GENENCOR®, DANISCO DIVISION, Product information, Cellulase enzyme complex for lignocellulosic biomass hydrolysis, accessory beta- glucosidase enzyme for biomass hydrolysis, Xylanas/cellulose enzyme complex for biomass hydrolysis, , accessory Xylanase enzyme for bio-mass hydrolysis . Disponible http://www.genencor.com (citado 18 diciembre 2010).

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MODELACIÓN CINÉTICA DE PIRÓLISIS DE CUESCO DE PAL-MA UTILIZANDO LA TÉCNICA BIOINSPIRADA NSPSO

(Biocombustibles a partir de material Lignocelulósico)

C.A. Monroy1, S.L. Rincón1

1. Universidad Nacional de Colombia, Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos BIOT, Ciudad Universitaria - Bogotá y camonroyp@unal.edu.co

INTRODUCCIÓN Durante el proceso de extracción de aceite de palma se genera 42% de biomasa residual equivalente a 1,2 millones de Toneladas-año. De esta el 19% equivale al cuesco de palma. Una de las posibles rutas de aprovechamiento de esta biomasa es la pirolisis donde se obtiene un gas combustible el cual puede utilizarse para auto-abastecer energéticamente una biorrefinería de palma o para surtir a poblaciones no conectadas a la malla eléctrica con motores de combustión interna. La pirólisis es un proceso termoquímico de importancia industrial y ambiental base de la gasifica-ción y de otros procesos termoquímicos.

MATERIALES Y MÉTODOS Para el diseño, operación industrial y modelamiento de reactores es necesario en-contrar una cinética que describa el proceso de pirólisis. Para ello se caracterizó la biomasa mediante las normas TAPPI, se realizó la descomposición térmica del cuesco de palma y de sus componentes separados por vía enzimática (para evitar alteración química del material) utilizando un diseño de experimentos D-optimal, donde también se variaba la rampa de calentamiento en un equipo de termogravi-metría (TGA). Con las curvas termogravimétricas obtenidas en TGA se determina-ron mediante el método de máxima verosimilitud y el algoritmo de optimización multiobjetivo bioinspirado Non-Dominated Sorting Particle Optimization (NSPSO) los parámetros cinéticos para mecanismos de reacciones paralelas independientes evaluado cuatro opciones: Una sola reacción y tres reacciones correspondientes a tres componentes, considerando en c/u orden de reacción igual a 1 y orden de re-acción desconocido. Mediante la prueba de Fisher-Snedecor se realizó la valida-ción de los modelos cinéticos y posteriormente se determinó el intervalo de con-fianza de los parámetros cinéticos calculados.

RESULTADOS En la figura 1 se muestra el intervalo de confianza de los parámetros cinéticos cálculados (Tabla 1) para el modelo cinético de la Ecuación [1].

[1]

3

1

ni ii i

i

Edw A w expdT RT=

− =

∑

24

110 120 130 140 150 160 170 1808

8.5

9

9.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

Ea [kJ/mol]

Log(

A)

Rxn1Rxn2

16.5 17 17.5 18 18.5 19

-2.2

-2.15

-2.1

-2.05

-2

-1.95

Ea [kJ/mol]

Log(

A)

Rxn3

Figura 5. Intervalo de confianza de los parámetros cinéticos para el modelo validado.

Tabla 1. Parámetros cinéticos para la pirolisis de biomasa del modelo validado mediante la prueba de Fisher-Snedecor Máxima

Verosimilitud E1

[KJ/mol] Log A1 n1 E2

[KJ/mol] Log A2 n2 E3

[KJ/mol] Log A3 n3 -5630,1 259,106 20,009 0,935 209,446 19,103 2,852 34,696 -0,496 1,722

CONCLUSIONES Se encontró que el modelo de tres reacciones paralelas e independientes (Ecua-

ción [1]) es un modelo generalizable de acuerdo con la prueba de Fisher-Snedecor.

Agradecimientos: Los autores expresan su más profundo agradecimiento a la Universidad Na-cional de Colombia, a la Dirección de Investigación sede Bogotá, al departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación – Colciencias y el Programa Jóvenes Investigadores e Innovado-res “Virginia Gutiérrez de Pineda” por la financiación de este proyecto y a todas aquellas personas que apoyaron material y espiritualmente.

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OBTENCIÓN DE PRODUCTOS CON VALOR AGREGADO A PAR-TIR DE LA CACHAZA. CASO COLOMBIA

(Producción de etanol) Maria F. Gutierrez1, Javier A. Dávila1*

1. Universidad de los Andes, grupo de investigación de Diseño de Productos y Procesos, De-

partamento de Ingeniería Química, * mail: ja.davila1982@uniandes.edu.co

Introducción En la producción de etanol y biomasa, la caña de azúcar es una de las principales materias primas a nivel mundial. En Colombia se tienen grandes extensiones de cultivos de caña de azúcar usadas para producción de azúcar y etanol y en una me-nor proporción biomasa y panela. Los residuos líquidos como vinazas y melazas de algunos de estos procesos son en la actualidad tratados por diferentes métodos sin embargo, la cachaza como residuo de la producción de panela [1] no ha sido muy estudiada. En este trabajo se utilizo la cachaza como sustrato en un proceso de fer-mentación usando Saccharomyces Cerevisae para obtener productos con valor agregado como etanol y biomasa, se obtuvo un pH de 3.7 y una velocidad de agita-ción 120 rpm como las mejores condiciones de operación y se obtuvo una concen-tración máxima de 76.28 mg/ml de etanol y 85.71 mg/ml de biomasa y una con-versión de azucares de 86.03% en un tiempo de 36 horas de fermentación. También se evaluó el mejor modelo para representar la concentración de etanol y biomasa acorde a los datos obtenidos del diseño y el coeficiente de correlación y desviación estándar. Materiales y Métodos Se utilizó cachaza del trapiche San Felipe de la ciudad de Pereira Colombia y leva-dura Saccharomyces Cerevisiae, como nutrientes se usó fosfato trisodico, urea, cloruro férrico y sulfato de magnesio y como biorreactores se uso un set de enler-meayers (Shaker BarnStead-Lab Line). Se utilizo cromatografía de gases, espectro-fotometría UV y HPLC para la medición de concentración de producto, biomasa y sustrato respectivamente. Se realizo un diseño 32 y un punto central teniendo el pH y la velocidad de agitación como factores y con niveles para pH de 3.7, 4 y 4.3 y niveles para velocidad de agitación de 80, 100 y 120 rpm., con el fin de determinar las mejores condiciones de pH y velocidad de agitación a las cuales se obtiene la mayor cantidad de biomasa y etanol. Una vez terminada la fermentación, se proce-dió a medir la concentración de biomasa, sustrato y producto con las técnicas antes mencionadas Resultados y Discusión De los 9 ensayos llevados a cabo se obtuvo una concentración máxima de 76.28 mg/ml de etanol y 85.71 mg/ml de biomasa y una conversión de azucares de 86.03%. La tabla 1 muestra los modelos lineales y no lineales evaluados con sus

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respectivas interacciones y los resultados de coeficiente de correlación (R2) y des-viación estándar (S) para cada uno ellos, obtenidos usando el software Matlab [2]. Para cada uno de los productos con valor agregado (etanol y biomasa) se realizaron graficas de superficie con el modelo que represento adecuadamente los datos expe-rimentales, usando las ecuaciones (1) y (2) para el cálculo de la concentración de etanol y biomasa respectivamente.

Tabla 1. Modelos evaluados para producción de etanol y biomasa Correlación Producto R2 S

22110 xxy βββ ++= Etanol 0.3850 6.8790 Biomasa 0.4362 16.9263

21322110 xxxxy ββββ +++= Etanol 0.3992 6.7993 Biomasa 0.4387 16.8891

225

21421322110 xxxxxxy ββββββ +++++= Etanol 0.9314 2.2976

Biomasa 0.9760 3.4906 22

216

225

21421322110 xxxxxxxxy βββββββ ++++++= Etanol 0.9559 1.8445

Biomasa 0.9762 3.4767

22

21

22

212121 0028.0076.076.732.45.2214.2701262.)( xxxxxxxxEty ++++−−= (1)

22

21

22

212121 00064.0081.0826.188.07.1634.1866.1135.)( xxxxxxxxBioy ++++−−= (2)

La figura 1 muestra el comportamiento de la concentración de etanol (a) y biomasa (b) acorde al modelo seleccionado.

Figura 1. Concentración de etanol y biomasa con el modelo seleccionado.

Conclusiones

Con 61,895 toneladas de panela por mes y una producción promedio de 0.27 Kg de cachaza por cada Kg de panela, se tendría una producción por mes de 15,193 m3 de cachaza y teniendo en cuenta la cantidad de etanol producida bajo las condiciones de operación por fermentación en este trabajo, podría producirse 489,610 litros de etanol por día, esta es una cifra mucho mayor a la producida por los grandes inge-

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nios en Colombia, claro está, después de su proceso de destilación, pero estas cifras abren una posible idea de negocio a futuro. Referencias [1] Solera, Chávez Marco. La Caña de azúcar como materia prima para la producción de Alcohol Carburante. Memorias Seminario “Antecedentes y Capacidad Potencial de Cogenerar Energía y Producir Etanol por Parte del Sector Azucarero Costarricense”. Septiembre 2004, Costa rica. [2] Montgomery, Douglas C. Design and analysis of experiments. Jhon Wiley and Sons. USA. 2009

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COMPARACIÓN DE LOS PROCESOS HIDROLISIS ACIDA Y EN-ZIMATICA EN LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE

RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico

Oriol Jimenez1, Diego A. Trujillo2, Ronald A. Velandia2

1. Ingeniería Ambiental y Sanitaria, Universidad de La Salle, Bogotá, ojime-nezs@unisalle.edu.co

2. Ingeniería Ambiental y Sanitaria, Universidad de La Salle, Bogotá.

Introducción El aumento en la demanda de biocombustibles debido a los impactos ambientales negativos que tiene el uso de combustibles fósiles, así como la competencia que se ha generado en la producción de biocombustibles con la producción de alimentos, motiva la generación de investigaciones para la obtención de biocombustibles a partir de nuevas materias primas. En esta investigación se realizó un estudio com-parativo de los pretratamientos por molienda seca y molienda húmeda, y, de los procesos de hidrólisis ácida e hidrólisis enzimática para la producción de bioetanol a partir de residuos sólidos orgánicos. En una primera fase se recopiló información referente a los residuos para realizar un diagnóstico de la situación actual de estos en las plazas de mercado en Bogotá, identificando así los residuos sólidos orgáni-cos potenciales para la generación de biocombustible de segunda generación, para lo cual se consultaron las investigaciones más recientes dentro de la que se destaca la realizada por Forero y Ochoa (2009).

Materiales y Métodos Una vez identificado los residuos orgánicos de generación continúa en la plaza de mercado el Restrepo (seleccionada por ser la de mayor generación de residuos en Bogotá), estos se recolectaron para realizarles los pretratamientos establecidos (molienda seca y molienda húmeda). Para el pretratamiento de molienda seca los residuos se molieron inicialmente para luego retirarles la humedad en una mufla a una temperatura de 100°C. Posterior a ello se realizo una maceración a los mismos pues al retirarles la humedad adquirieron una alta dureza, lo cual hacia imposible molerlos. Finalmente a estos residuos se les practicó un nuevo molido con el obje-tivo de disminuir el tamaño del material y prepararlo para cada uno de los procesos de hidrólisis. En la molienda húmeda los residuos fueron licuados con agua y lle-vados a refrigeración para el momento en que se utilizaran en cada uno de los pro-cesos de hidrólisis (acida y enzimática). Para la investigación se planteó la hidróli-sis ácida y la hidrólisis enzimática. Para la hidrólisis ácida se utilizo ácido sulfúrico 1M, el cual fue mezclado de forma continua con cada una de las muestras de resi-duos pretratadas (molienda seca y molienda húmeda) en una relación 1:33 y puesto a hidrolizar variando los tiempos y la temperatura en el proceso. Los tiempos de hidrolisis fueron de 14 y 24 horas y las temperaturas fueron de 40, 70 y 90°C.

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(Fonseca et al., 2001). Para la hidrólisis enzimática se utilizo un coctel de enzimas que se agregó a cada una de las muestras de residuos pretratadas en una relación 1:3.33 y llevadas con agua destilada a 111ml. De igual forma se trabajaron tiempos de 14 y 24 horas con temperaturas de 40, 45 y 50°C. La medición de azúcares fer-mentables se realizó a cada una de las muestras hidrolizadas mediante el método espectrofotométrico acido 3,5-dinitrosalisilico (DNS) con lecturas a 540nm.

Resultados y Discusión Al revisar las muestras que mayor porcentaje en azúcares reductores produjeron, se evidencia que el mejor pretratamiento fue el de molienda seca. Sin embrago hay que tener en cuenta que este pretratamiento requiere mayor energía que el pretra-tamiento de molienda húmeda, en lo que respecta al secado y en la segunda molida de los residuos. La hidrolisis que mayor generación de azucares presentó es la en-zimática, además la temperatura del mismo es menor que la requerida para la hidrolisis acida la cual la hace mas atractiva en utilización de energía. De igual forma, al tener una mayor concentración de azucares, la muestra con HE MS 24h 40°C, tendría mayor eficiencia en generación de alcohol carburante. Una vez se analizaron las muestras, se identificaron 2 muestras que presentaban mayor concentración de azucares reductores, una para cada tipo de hidrólisis. Para la hidrólisis acida se escogió la muestra pretratada con molienda seca, hidrolizada 24 horas a temperatura de 90°C (HA MS 24h 90°C) que presenta 1,0 gramos de azúcar, que corresponde al 31% de azucares y teóricamente el 16 % de alcohol que se podría obtener a partir de la muestra de residuos. Para la hidrólisis enzimática se escogió la muestra pretratada con molienda seca hidrolizada 24 horas a 40°C, que presenta 1,3 gramos de azúcar, que corresponde al 38% de azucares y teóricamente el 19% de alcohol que se podría obtener a partir de la muestra de residuos.

Conclusiones De este trabajo se concluye que: la obtención de bioetanol a partir de residuos orgánicos característicos de plazas de mercado, disminuiría problemas ambientales relacionados con la saturación de rellenos sanitarios, botaderos a cielo abierto, quema de residuos y contaminación a cuerpos de agua. El pretratamiento de mo-lienda seca presenta mayor eficiencia en la generación de azúcares fermentables y posterior producción de etanol en parte por el menor tamaño de la partícula, sin embargo las tareas de secado y segunda etapa de molienda aumenta el consumo de energía y por ende los costos de operación. Mediante los dos procesos de hidrolisis se obtienen rendimientos superiores al 30% en obtención de azúcares reductores, sin embargo, la hidrolisis enzimática presenta mejores resultados y mayor viabili-dad en lo que a consumo de energía y economía de insumos respecta. Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo brindado por el personal técnico de los laboratorios del Programa de Ingeniería de Alimentos de la Universidad de La Salle por los servicios de análisis.

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Referencias a. Forero, S. A., y Ochoa, M. del P. (2009). “Situación de la disposición final de residuos sólidos

en Colombia – diagnostico 2009”. Superintendencia de Servicios Públicos, Dirección Técnica de Gestión de Aseo. pp 4-65. Bogotá, Colombia.

b. Fonseca, E., Oviedo, A., y Vargas I. (2006). Hidrólisis Ácida de Sustratos Residuales Agroin-dustriales Colombianos. Umbral Científico. No. 8, pp 5-11.

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DISEÑO, MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UNA UNIDAD PILOTO PARA EL ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA PIROLISIS

DE BIOMASA RESIDUAL Biocombustibles a partir de Material Lignocelulósico

Astrid Lorena Torres, María Fernanda Calderón y María Paola Maradei

García*

CEIAM, Universidad Industrial de Santander, Calle 9, Cra 27, Ciudad Universitaria, Bucaramanga (Colombia), *mapaomar@uis.edu.co

RESUMEN

El estudio realizado consistió en el diseño, montaje y puesta en marcha de una unidad piloto de laboratorio para la producción de bio-oil a partir de pirólisis de biomasa residual agroindustrial (bagazo de caña). Para el diseño se tuvieron en cuenta las principales etapas del proceso: la alimentación de gas inerte al reactor, la reacción de pirólisis, el enfriamiento de los gases, la condensación del biocombus-tible y la recolección de gases. El diseño cuenta con una alimentación de nitrógeno, el flujo es medido por medio de un rotámetro instalado antes de la entrada del reactor. La zona de reacción cuen-ta con un reactor tubular en acero inoxidable de diámetro interno de 3,5 cm y longi-tud 54 cm. La temperatura en las paredes del reactor y a la salida del mismo se midió por medio de termocuplas tipo J y la presión por medio de un manómetro de bourdon (0-100 psi) ubicado a la salida del reactor. La zona de enfriamiento de vapores de reacción cuenta con un intercambiador de calor de tubo y carcaza, elaborado en acero inoxidable con 4 tubos y utilizando como fluido de enfriamiento agua a temperatura ambiente. Aguas abajo, se ubica-ron dos trampas de enfriamiento diseñadas con dos secciones; en la parte superior, la tubería en la que se transportaron los vapores atraviesa cada trampa en forma de serpentín con 10 vueltas para lograr un mejor intercambio entre los gases y el agen-te refrigerante (hielo seco) y la parte inferior, removible, en la que se depositaron los condensados que consta de un sistema de clamps para garantizar un cierre her-mético. Finalmente, la recolección de los no condensables se realizó en bolsas es-peciales para su posterior análisis cromatográfico. Se realizaron varias pruebas preliminares para la validación del sistema a una tem-peratura de operación de 500°C, flujo de gas de 150 ml/min, tamaño de partí-cula del lecho < 0,4mm, presión de operación de 1 bar. En esas condiciones el sistema de enfriamiento compuesto por el intercambiador de calor y la primera trampa de condensación permitió la obtención de los mejores rendi-

32

mientos (aproximadamente 44,8%p; 15,2%p y 35,3%p de bio-oil, gas y ceniza, respectivamente) con porcentajes de error, en el cierre del balance de masa y en las pruebas de reproductibilidad, inferiores al 10%p. Por otra parte, se caracterizó físicamente el bio-oil producido mediante pruebas de pH, densidad, y poder calorífico (tabla 1). Igualmente, se realizó una caracterizaci-ón química por medio de cromatografía líquida extractiva acoplada a cromatografía de capa fina usando, para la separación del bio-oil en diferentes cortes tres solven-tes (diclorometano, acetato de etilo y metanol). La separación del bio-oil se realizó en función de la diferencia de polaridad de los compuestos presentes distinguién-dose principalmente hidrocarburos lineales, hidrocarburos cíclicos y compuestos polares. Los resultados obtenidos fueron comparados con los reportados en la lite-ratura.

Tabla 3. Propiedades fisicoquímicas del bio-oil Propiedad Valor

Densidad [g/cm3] 1,17 pH 2,7

Poder calorífico [MJ/Kg]

8,8

Porcentaje de agua 31,87% Comparado con la densidad del diesel que varía entre 0,84 y 0,85 g/cm3, se puede observar que es un poco más denso, lo cual se debe a los compuestos pesados cuyas cadenas podrían romperse si se trabajara a temperaturas may-ores. Su naturaleza ácida es debida a la presencia de ácidos carboxílicos de bajo peso molecular, y su poder calorífico es mucho menor que el del diesel por lo cual la cantidad en peso de bagazo de caña es mayor que la del petró-leo necesario para producir la misma cantidad de energía. Debido a que esta materia prima es de fácil acceso se considera una posibilidad viable a nivel económico, ambiental y social.

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ESTUDIO DINÁMICO PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE XILOSA Y GLUCOSA

(Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Andrés F. Guerra1, Luis G. Matallana1 y Carlos A. Cardona1

1. Instituto de Biotecnología y Agroindustria - Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales, Grupo de Investigación en Procesos Químicos Catalíticos y Biotecnológicos.

{afguerraro, lgmatallanap, ccardonaal}@unal.edu.co Introducción La biomasa de origen lignocelulósico es una interesante alternativa para ser em-pleada como materia prima en la producción de etanol debido a su bajo costo de adquisición y su enorme disponibilidad (biocombustibles de segunda generación). Además, la seguridad alimentaria no se verá afectada por el uso de esta materia prima, mejorando de manera significativa los impactos sociales y ambientales. Por ello, es de una importancia estratégica la utilización de materias primas alternativas de bajo costo y alta disponibilidad para la consolidación de una industria de bio-combustibles que sea sostenible a largo plazo tanto económica como ambiental-mente. Existe un muy escaso estudio de tecnologías implementadas, donde se re-porte un esquema tecnológico integrado para la producción de bioetanol que haya sido diseñado, tanto con tecnologías convencionales como en desarrollo de nuevas tecnologías. Adicionalmente, no se conoce un procedimiento de síntesis de proce-sos aplicado a la producción bioetanol que, basado en la citada comparación, posi-bilite la selección de un esquema tecnológico adecuado, a nivel industrial, de alto desempeño atendiendo a criterios técnicos, económicos y ambientales consideran-do diferentes tipos de materias primas.

Materiales y Métodos Particularmente, para el diseño de este tipo de esquemas, se hace necesario un aná-lisis de estabilidad del sistema de fermentación de manera que provea un criterio técnico para la selección de variables de operación, y garantice una productividad deseada. El estudio de la dinámica de los biorreactores aporta información acerca del comportamiento del sistema cultivo-equipo, la cual ayuda a definir las condi-ciones de operación que favorecen el alcance y el mantenimiento de un estado es-table durante el proceso. Así, se evita llevar a cabo la operación del biorreactor cerca de un punto de equilibrio inestable, o caer en una solución oscilatoria no de-seada, y se logra formular políticas de control y optimización efectivas. Por ejem-plo, la Pichia stipitis es una especie de levadura, que ha mostrado ser prometedora para la producción de etanol a escala industriala, debido a su capacidad de fermen-tar una amplia gama de azucaresb provenientes de biomasa de origen lignocelulósi-co. La P. stipitis en una mezcla de azucares presenta un modelo de crecimiento diaúxico, también conocido como crecimiento microbiano bifásico que se caracte-

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riza por ser en un principio selectivo por uno de los sustratos (fuente de carbono que permite un crecimiento más rápido del microorganismo) seguido de un tiempo de adaptación (sin crecimiento de biomasa) del microorganismo para el consumo del segundo sustrato (fuente de carbono tanto para crecimiento como para produc-ción de etanol).

Resultados y Discusión En esta contribución se estudia y analiza el comportamiento dinámico no lineal de la producción de etanol a partir de la fermentación de una mezcla de azucares de glucosa y xilosa que pueden ser provenientes de materias primas de origen lignoce-lulósico, con el microorganismo Pichia stipitis, determinando zonas donde existe multiplicidad de estados estacionarios. Se han propuesto varios modelos para esta fermentaciónc a distintas concentraciones de sustratos para reactores en operación batch, continuos y un arreglo bacth-continuo. Sin embargo, solo se han propuesto algunas metodologías para el análisis del crecimiento diaúxico, principal fuente de no linealidades en las ecuaciones matemáticas de modeladoc. Con la velocidad de dilución como parámetro de bifurcación y diseño, se puede determinar multiplici-dad de estados estacionarios en el sistema. La Fig. 1 muestra la variación de la concentración de etanol en función de la velocidad de dilución y la correspondiente caracterización de los estados estacionarios.

Figura 1. Diagrama de Bifurcación. (negro: estable, azul inestable)

Conclusiones En este trabajo, se mostro la existencia de multiplicidades de estados estacionarios en la producción de etanol en una mezcla de dos sustratos. Esta multiplicidad con-duce a diferentes estados de operación del sistema las cuales deben de ser analiza-das previamente para garantizar una operación adecuada del proceso. El no consi-derar estas condiciones puede llevar a condiciones de operación con un bajo ren-dimiento hacia el producto deseado, y por lo tanto, no establecer un esquema tec-nológico adecuado de alto desempeño, como es lo esperado. Referencias

a. du Preez, J.C., Prior, B.A. (1985). Biotechnology Letters 7 (4), pp. 241-246 b. Nigam, J.N. (2001). Journal of Applied Microbiology 90 (2), pp. 208-215 c. Meyrial, V., Delgenes, J.P., Romieu, C., Moletta, R., Gounot, A.M. (1995). Enzyme and Mi-

crobial Technology 17 (6), pp. 535-540

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COMPARACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE ETANOL CON TRES CEPAS NATIVAS DE Meyerozyma guillermondii USANDO XILOSA Y

GLUCOSA COMO SUSTRATOS Biocombustibles a partir de Material Lignocelulósico (temática principal)

D. Ordoñez1,4, A. Castellanos2,4, L.M. Florez3,4

1. Universidad del Valle, GRUBIOC, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología, marce-

la.univalle@gmail.com 2. Universidad del Valle, GRUBIOC, Facultad de Salud, Departamento de Microbiología, Laborato-

rio de Bacteriología, ancastellanosan@gmail.com 3. Universidad Autónoma de Occidente, GRUBIOC, Facultad de Ingenierías, Laboratorio de Biopro-cesos, lmflorez@uao.edu.co Introducción Entre los años 2005 y 2010, Colombia produjo un promedio de molienda de 21,32 Tone-ladas/año, para lo cual fueron sembradas 206 mil hectáreas de Caña de azúcara, produ-ciendo impactos ambientales los cuales pueden ser mitigados aprovechando estos resi-duos mediante tratamientos de hidrólisis y de esta forma lograr la asimilación y fermen-tación de los azúcares contenidos en estos materiales. La glucosa y la xilosa son mono-sacáridos abundantes en las biomasas hemicelulósicasb y por esto son sustratos del pre-sente estudio comparativo que busca establecer las productividades de tres cepas de leva-duras nativas en ocho tratamientos usando medios sintéticos así como también en hidro-lizados de hojas y cogollos de caña de azúcar.

Materiales y Métodos Para los tratamientos en medios sintéticos se realizaron cultivos por lote en erlenmeyers con un VET de150ml y un inóculo de 8% (v/v), las fermentaciones se realizaron en incu-bador orbital a una temperatura de 35°C y tuvieron un periodo de 24 horas con 150 rpm agitación a y 48 horas de fase fermentativa a 70 rpm con sellado de los erlenmeyers. Los azúcares y el etanol fueron analizados usando cromatografía líquida de alta resolución usando la columna Sugar Pack1. En el caso de los hidrolizados, las condiciones fueron las mismas excepto para la cepa control Scheffersomyces stipitis la cual se fermenta 30°C. Estos hidrolizados fueron obtenidos usando la metodología enzimáticac con una concentración inicial de azúcares de 50 g/L usando la técnica de DNS.

Resultados y discusión Los resultados indican que el mejor tratamiento cuando se usa xilosa y glucosa es el enriquecido con extracto de levadura como fuente de nitrógeno (p***<0.05), esto con-cuerda con los resultados previos en los que también son usadas levaduras del género Pichiac. También se observó que los rendimientos aumentan aproximadamente cinco veces cuando la glucosa es la fuente de carbono (Tabla 1). Los resultados de las fermen-taciones con hidrolizados muestran que las levaduras nativas presentan un comporta-miento muy homogéneo en su fase de crecimiento superando en producción de biomasa

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a la cepa control S. stipitis (Figura 1). La destilación fraccionada de estas fermentaciones mostraron que las cepas tuvieron rendimientos de 4.45%, 6%, 2.91% para las M. gui-llermondii 44, 45 y 89 respectivamente y 4,7% para la cepa control. Tabla 4. Rendimientos porcentuales (gramos de Etanol/Litro) en tratamientos usando Xilo-sa y glucosa como sustratos.

B XIL 40g/L+

EY 0.5%

E XIL 40g/L +

Úrea 3%

H XIL 18g/L+

EY 0.5%

K XIL 18g/L +

Úrea 3%

A GLC 40g/L + EY 0.5%

D GLC 40g/L + Úrea 3%

G GLC 18g/L + EY 0.5%

J GLC 18g/L + Úrea 3%

P. guillermondii 44 7,52 0,89 14,76 1,24 30,05 22,00 7,79 0,00P. guillermondii 45 7,05 1,85 8,07 1,01 36,08 15,99 0,00 0,00P. guillermondii 89 2,20 0,79 7,25 2,30 29,10 13,30 6,43 0,00

Xilosa Glucosa

CEPAS TTO's

Figura 6. Fermentaciones en hidrolizados de hojas y cogollos de caña de azúcar usando tres

cepas de M. guillermondii y S. stipitis.

Conclusiones El uso de extracto de levadura incrementa los rendimientos de etanol en todos los tratamientos evaluados sin importar la fuente de carbono. La producción de etanol usan-do hidrolizados es similar entre las cepas nativas y la cepa control. Los hidrolizados pre-sentaron rendimientos de etanol inferiores a los observados en los medios sintéticos.

Agradecimientos: Los autores expresan su gratitud al Ministerio de Agricultura y Desarrollo por los fondos otorgados en la convocatoria MADR010-2008D32103466. A los laboratorios de Bioprocesos y Bio-médica de la Universidad Autónoma de Occidente.

Refererencias a. Stambuk S, Franden M, Singh A, & M. Zhang. 2003. D-Xylose Transport by Candida succiphila

and Kluyveromyces marxianus. Applied Bichemistry and Biotechnology. Vol. (105-108) 255-263. b. Salcedo J, López J, Flórez L. 2011. Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y

cogollos) de la cosecha caña de azúcar. Dyna. Año 78 (169):182-190. c. Dellweg H, Rizzi M, Methner H & D. Debus. 1984. Xylose fermentation by yeast. Bitechnology

letters. 6(6):395-400.

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COMPARACIÓN DE LA VELOCIDAD ESPECÍFICA DE CRECI-MIENTO DE 3 CEPAS DE LEVADURAS NATIVAS PRODUCTO-RAS DE ETANOL SOBRE HIDROLIZADOS DE HOJAS Y COGO-

LLOS DE CAÑA DE AZÚCAR (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Cadavid K.T1, Medina R.2, López J.E3, Florez L.M.4.

1. Universidad del Valle, Grubioc, Facultad de Ingenierías. kt.cadavid@hotmail.com 2. Universidad del Valle, Grubioc, Facultad de Ingenierías. ricardo_0720@hotmail.com

3. Universidad del Valle, Grubioc, Facultad de Ingenierías. jorge.lopez@correounivalle.edu.co 4. Universidad Autónoma de Occidente, Grubioc, Facultad de Ingenierías. lmflorez@uao.edu.co

Introducción Tras la prohibición de la quema de los cultivos de caña de azúcar para su cosecha, los residuos de biomasa asociados a esta actividad han aumentado, por lo que se hace necesario plantear alternativas para su aprovechamiento, como someterlos a diferentes procesos de transformación para obtener azúcares fermentables útiles para la producción de etanol carburante. Se plantea entonces, utilizar cepas de le-vaduras nativas de la región, productoras de etanol, ya que se generan productos comerciales que pueden estar a la orden de los productores, sin tener que pagar derechos intelectuales por su uso.

Materiales y métodos Se realizó una fermentación por duplicado para cada una de las cepas de levaduras a evaluar (AM44, AM45 y AM89), utilizando la siguiente metodología: Inicialmente se realiza la inoculación, para posteriormente adicionar dicho inoculo al medio de cultivo (hidrolizados de los residuos deslignificados de caña de azú-car), el cual fue preparado mediante hidrólisis enzimáticaa. Una vez adicionado el inoculo al medio, se realizó el seguimiento durante 72 horas a una temperatura de 35 °C y 150 rpm hasta las 24 horas, a partir de las cuales se redujeron las rpm a la mitad. El volumen efectivo de trabajo fue de 150 mL, y la relación de inóculo a medio fue de 7.2 %(v/v). Las mediciones realizadas para el seguimiento de la expe-rimentación incluyen densidad óptica y peso seco para la determinación de la bio-masa, y cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC) para la determinación de los azúcares y los metabolitos: Para la densidad óptica se realizan mediciones de absorbancia a 620 nm. Para el peso seco se filtran las muestras extraídas por un tamaño de poro de 0.45 μm y se llevan al horno a 60 °C durante 24 horas, para finalmente pesarse. Para la cromatografía líquida de alta eficiencia se centrifugan las muestras a -4 °C y 10_000 rpm durante 10 minutos; luego se filtran utilizando un tamaño de poro 0.22 μm, para su posterior análisis en el equipo HPLC.

38

Resultados y discusión En las figuras 1, 2 y 3 se muestran los resultados de seguimiento obtenidos para la variable peso seco. La cepa AM44 alcanzó un valor máximo de 8.0 g/L, la cepa

AM45 de 8.4 g/L y la cepa AM89 un valor de 11.5 g/L. Las velocidades específicas de crecimiento se determinaron utilizando la ecuación [1]b, obteniéndose valores de 0.0188 h-1, 0.0424 h-1 y 0.0311 h-1 para las cepas AM44, AM45 y AM89 respectivamente.

[1]

Las cepas AM44 y AM45 presentan comportamientos similares, alcanzando casi la mis-ma concentración final de biomasa. Sin embargo, presentan diferentes tiempos de latencia y diferentes velocidades de crecimiento: mientras que la cepa AM44 alcanza la fase expo-nencial casi a las 6 h, presenta una menor velocidad de crecimiento alcanzando la fase de producción aproximadamente a las 24 horas; en comparación con la AM45 que alcanza la fase exponencial a las 12 horas pero inicia la fase de producción aproximadamente al mismo tiempo que la AM44.

Conclusiones Se observó que la cepa AM89 es la que presenta una mayor producción de biomasa. La cepa que presentó la mayor velocidad específica de crecimiento fue la AM45, aunque su valor no difiere en gran medida de la cepa AM89.

Figura 7. Curva de seguimiento de la cepa AM44.

Figura 8. Curva de seguimiento de la cepa AM45.

Figura 9. Curva de seguimiento de la cepa AM89.

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Agradecimientos: Al Laboratorio de Bioprocesos de la Universidad Autónoma de Occidente, al Mi-nisterio de Agricultura, a Diana Marcela Ordoñez y a Angélica María Castellanos.

Referencias. a. SALCEDO J.G., LOPEZ J.E., FLOREZ L.M. Evaluación de enzimas para la hidrólisis de

residuos (hojas y cogollos) de la cosecha caña de azúcar. En: Dyna. Octubre, 2011. no. 169, p. 182-190.

b. . SCHMIDELL W., AQUARONE E., ET AL. Biotecnología Industrial. Brasil: Edagar Blü-cher, 2001. p. 93-115, 137-147.

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EFECTO DE COMPUESTOS INHIBIDORES EN EL PROCESO DE FERMENTACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE BIOETANOL A

PARTIR DEL BAGAZO DE CAÑA PANELERA (Biocombustibles a partir de Material Lignocelulósico)

Rincón Moreno John Anderson1, Bernier Oviedo Daniel José1, Solanilla Du-que José Fernando1, Sánchez Riaño Andrea Milena1, Muñoz Hernández José

Aldemar 1 Murillo Perea Elizabeth2 1. Universidad del Tolima, CEDAGRITOL, B. Santa Helena A.A. 546, Ibagué, Colombia,

jarm112@hotmail.com 2. Universidad del Tolima, GIPRONUT, B. Santa Helena A.A. 546, Ibagué, Colombia.

Introducción El bioetanol ofrece soluciones limpias y sostenibles como energías alternativas, sin embargo, actualmente obtenerlo a partir de cultivos agrícolas afecta la seguridad alimentaria. Como solución, se destaca el bioetanol obtenido a partir de material lignocelulósico, no obstante, producirlo con este material depende de la efectividad en la obtención de azúcares fermentables a través de pretratamientos. Estudios previos, demostraron que ácidos diluidos (H.A) o explosión de vapor (E.V) y pos-terior proceso enzimático aumentan la obtención de azúcares que a su vez forman compuestos tóxicos como ácido acético, derivados del furano y compuestos fenóli-cos. Este trabajo tiene como objetivo de estudio determinar los compuestos inhibi-dores generados a partir de pretratamientos aplicados al bagazo de caña panelera y sus potenciales efectos en la fermentación para la obtención de etanol.

Materiales y Métodos Los hidrolizados de bagazo de caña panelera pretratado con H.A. (H2SO4 10%; 60 min) o E.V. (100 psi, 30 min), se les determinó el contenido de inhibidores: Furfu-rala, compuestos fenólicosb, y ácido acéticoc. Las fracciones solidas pretratadas se hidrolizaron enzimáticamente con Celluclast 1.5L a concentraciones de 15 FPU/gMS para H.A. y 30 FPU/gMS para E.V. En todo el proceso se determinó azúcares reductores por el método DNSd. El inoculo para la fermentación se pre-paró con Saccharomyces Cerevisiaee y se midió la producción de etanol mediante cromatografía de gases (GC – FID)d.

Resultados y discusión Los azúcares reductores obtenidos al final del proceso alcanzaron rendimientos de 204 mgEG/gMS (H.A.) y 257 mgEG/gMS (E.V.). La figura 1, ilustra la conversión de estos azúcares a etanol durante la fermentación, observándose un 79% y 71% de rendimiento de etanol en los hidrolizados de E.V. y H.A. respectivamente. Estos valores son inferiores a los reportados por otros autorese, probablemente por la formación de compuestos tóxicos durante los pretratamientos (Tabla 1). Las mayo-res concentraciones de ácido acético y furfural se encontraron en H.A., este último compuesto, posiblemente inhibe la alcohol deshidrogenasa de S. Cerevisiae, indu-ciendo la formación de acetaldehídof, asimismo, el ácido acético penetra en la

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membrana plasmática, acumulándose en el citoplasma, descargando protones y descendiendo el pH interno interrumpiendo de esta manera la actividad celularg, en consecuencia ambos compuestos favorecerían la inhibición durante la fermentación

Figura 1. Concentraciones de etanol y glucosa durante el proceso de fermentación con pretratamiento H.A. o E.V. Leyenda: (Δ) Concentración de glucosa obtenida por E.V.; (□) Concentración de glucosa obtenida por H.A.; (▲) Concentración etanol E.V.; (■) Concentración etanol H.A.

Por otra parte, los compuestos fenólicos obtenidos en H.A. son menores respecto a los de E.V., sin embargo, el hecho que el rendimiento de etanol en este último sea un 8% superior respecto a H.A., sería el resultado del efecto de la acción combina-da de los compuestos tóxicos estudiados denominado “efecto sinérgico”g.

Tabla 1. Compuestos inhibitorios contenidos en el bagazo de caña panelera pretratado.

Conclusión El contenido de compuestos inhibidores generados tras los pretratamientos aplica-dos al bagazo de caña panelera, afectaron la conversión de glucosa a etanol, siendo la E.V. el que en menor grado contribuyó con dicho efecto. Agradecimientos: Los autores agradecen a los grupos de investigación CEDAGRITOL, GIPRONUT y a la Oficina de Investigaciones y Desarrollo Científico de la Universidad del Tolima.

Referencias a ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMISTS. Official methods of analysis. 1984. Vol. 14, no. 9.097, p. 185 b SINGLETON, V. L., ORTHOFER, R. y LAMUELA-RAVENTÓS, R. M. Analysis of total phenols and other oxidation substrates and antioxidants by means of folin-ciocalteu reagent. En: Methods in enzymology. 1999. vol. 299, p. 152-178 c CHENG, K. K., CAI, B. Y., ZHANG, J. A., LING, H. Z., ZHOU, Y. J., GE, J. P. y XU, J. M. Sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate for ethanol production by acid recovery process. En: Biochemical Engineering Journal. 2008. vol. 38, no. 1, p. 105-109

Ácido Acético (mgEAA/ml)

Furfural (mg/ml)

Compuestos Fenólicos (mgEAG/ml)

Explosión de Vapor 0,08 0,443 2,58 Hidrólisis Ácida 12,27 1,521 2,28

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 480

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

mgEG

/ml

Etanol

(mg/m

l)

Tiempo (horas)

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d CHANDEL, A. K., KAPOOR, R. K., SINGH, A. y KUHAD, R. C. Detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate improves ethanol production by Candida shehatae NCIM 3501. En: Bioresource Technology. 2007. vol. 98, no. 10, p. 1947-1950. e PEREIRA, F. B., GUIMARAES, P. M. R., TEIXEIRA, J. A. y DOMINGUES, L. Robust industrial Saccharomyces cerevisiae strains for very high gravity bio-ethanol fermentations. En: Journal of bioscience and bioengineering. 2011 f DOMÍNGUEZ, O. y MIGUEL, J. Efecto de los productos de degradación originados en la explosión por vapor de biomasa de chopo sobre" Kluyveromyces marxianus". Universidad Complutense de Madrid, Servicio de Publicaciones, 2004. g MUSSATTO, S. I. y ROBERTO, I. C. Alternatives for detoxification of diluted-acid lignocellulosic hydrolyzates for use in fermentative processes: a review. En: Bioresource Technology. 2004. vol. 93, no. 1, p. 1-10.

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EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO ENERGÉTICO Y AMBIENTAL DE DISTINTAS OPCIONES TECNOLÓGICAS PARA LA PRO-

DUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE MATERIAL LIGNO-CELLULÓSICO

(Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Mónica J. Valencia1, Carlos A. Cardona1 y Luis A. Toro1,2

1. Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, Cra. 27 No. 64-60, mjvalenciab@unal.edu.co, ccardonaal@unal.edu.co

2. Universidad Autónoma de Manizales, Antigua Estación del Ferrocarril, latoroc@unal.edu.co Introducción La biomasa lignocelulósica (LB) ha sido considerada como una materia prima po-tencial para la producción de biocombustibles, debido a su gran disponibilidad en países agrícolas y, adicionalmente, porque las discusiones sobre seguridad alimen-taria y cambio en el uso de la tierra relacionado con los biocombustibles podrían disminuir al usar BLa. Sin embargo, la compleja estructura química de la BL impli-ca mayor cantidad de procesos de tratamiento, disminución en la eficiencia energé-tica y aumento en los costosb. Con el fin de superar esta dificultad, dos enfoques se han estudiado: Intensificación de Procesos (IP), es decir, unir dos o más operacio-nes en una misma unidad, y Bioproceso Consolidado (BPC), en el cual todas las transformaciones bioquímicas se realizan en la misma unidadc. En este trabajo se lleva a cabo el estudio del desempeño energético y ambiental de la producción de Bioetanol a partir de Cascarilla de arroz (BCC) y de bioetanol a partir de bagazo de caña (BBC), utilizando ambos, IP y BPC. Materiales y métodos Se simuló, utilizando Aspen Plus, Matlab y Excel los siguientes procesos, obte-niéndose de ellos los balances de materia, energía y de Gases de Efecto Invernade-ro (GEI):

- Caso 1. BBC por IP. Pretratamiento e hidrolisis con ácido diluído (PHAD). Detoxificación con cal (DCC). Fermentación y co-fermentación simultáneas (FCFS) con Z. Mobilis ZME4 (ρZM5). Separación por destilación (SPD). Deshidratación con tamices moleculares (DCT)d.

- Caso 2. BCC. PHAD. DCC. FCFS con ρZM5. SPD. DCTd. - Caso 3. BCC. PHAD. DCC. FCFS con una co-cultura de Pichia Stipitis

NCIM3498 y Saccharomyces Cerevisiae VS3. SPD. DCTe. - Caso 4. BBC. BPC con Trametes hisurta. SPD. DCTf. - Caso 5. BBC. Pretratamiento explosión con vapor. Fermentación y sacarifi-

cación simultaneas con Kluveromyces marxianus CECT10875. SPD. DCTg.

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Resultados y discusión En la tabla 1 se muestran los requerimientos energéticos y las emisiones de GEI para los 5 casos estudiados. Los requerimientos energéticos y las emisiones de GEI son del mismo orden de magnitud para los procesos intensificados, aunque son menores cuando se utiliza cascarilla de arroz en lugar de caña de azúcar. El BPC presenta emisiones bajas y requerimientos energéticos bajos también.

Tabla 1. Eficiencia energética y emisiones de GEI asociados a los casos de estudio

Parámetro Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

Flujo de alimenta-

ción (Kg/h)

10000 9878,974 10000 9878,974 9878,974

Flujo de producto

(Kg/h)

2057,000 1424,000 2717,000 601,050 648,000

GEI (KgCO2e/MJ) 0,634 0,623 0,621 0,299 0,675

Requerimiento

energético (MJ/Kg

etanol)

168,230 168,670 168,230 75,106 183,758

Conclusiones El BPC para ser una opción adecuada para la producción de bioetanol a partir de material lignocelulósico. Aunque los requerimientos energéticos hacen que el pro-ceso no se pueda considerar energéticamente adecuado (el requerimiento es mayor que el poder calorífico), se hace necesario estudiar con mayor detenimiento la me-jora de la IP o los microorganismos que podrían llevar a cabo el BPC.

Agradecimientos Los autores desean expresar su agradecimiento a la Dirección de Investigación de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, a la Universidad Autónoma de Manizales, a la Gobernación de Caldas y a la Universidad de Caldas, por el so-porte financiero dado a este trabajo.

Referencias a. Sims, R.E.H., Mabee, W., Saddler, J.N., Taylor, M., Bioresource Technology, 2010; 101 (6): 1570-1580. b. Singh, A., Pant, D., Korres, N.E., Nizami, A-S., Prasad, S., Murphy, J.D. Bioresource Technology, 2010;, 101 (13): 2003-5012. c. Sánchez, O.J., Cardona, C.A. Bioresource Technology, 2008; 99 (13): 5270-5295. d. Sáncez, O.J., Cardona, C.A. Energy, 2006; 31 (13): 2447-2459. e. Duuf, S.J.B., Murray, W.D. Bioresource Technology, 1996; 55(1): 1-33. f. Okamoto, K., Nitta, Y., Maekawa, N., Yanese, H. Enzyme and Microbial Technology, 2011, 48 (3): 273-277. g. Ballesteros, M., Oliva, J.M., Negro, M.J., Manzanares, P., Ballesteros, I. Process Biochemistry, 2004; 39 (12): 1843-1848.

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PRETRATAMIENTO ALCALINO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE VARIEDADES COLOMBIANAS DE

PASTO ELEFANTE (Pennisetum purpureum) Y KING GRASS (Penni-setum hybridum).

(Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósicos) L. A. Rios 1, E. Cardona Villa 1, J. Rios Ceballos 1, J. D. Peña Alvarez 2. 1 Procesos Fisicoquímicos Aplicados , Universidad de Antioquia, Calle 62 No.52-59, tel: 574

2196543 2 Empresas Publicas de Medellín E.S.P., Medellin, Colombia, Carrera 58 # 42-125, tel: 574

3802775.

Introducción Los impactos causados sobre el medio ambiente por el uso y transformación de los combustibles fósiles en energía, han llevado a buscar nuevas alternativas en cuanto a fuentes de energía, procesos y materias primas renovables, como la biomasa lig-nocelulósica. Ésta constituye la mayor fuente de celulosa y hemicelulosa, las cuales pueden ser transformadas en azúcares fermentables para la producción de biocom-bustibles. Particularmente Colombia, debido a su localización geográfica, presenta una gran biodiversidad y disponibilidad de biomasa lignocelulósica, lo cual consti-tuye un gran potencial para la producción de energía. Dentro de los materiales lig-nocelulósicos disponibles, se encuentran los maderables, residuos agrícolas y agro-industriales, y también diferentes tipos de pastos y forrajes, los cuales pueden pro-ducirse en una gran variedad de climas y pisos térmicos.

Los pastos y forrajes son recursos naturales renovables abundantes que no com-piten con la producción de alimentos, lo cual convierte estos materiales en materias primas potenciales para la producción de biocombustibles tales como bioetanol. Dentro de la gran variedad de especies forrajeras existentes en Colombia, los pas-tos Pennisetum purpureum y Pennisetum hybridum debido a sus características de composición lignocelulósica, rendimiento teórico a etanol, rendimiento de produc-ción por hectárea y por año, ubicación, entre otras; los convierten en materiales lignocelulósicos potenciales para la producción biotecnológica de combustibles.

Materiales y Métodos Con el fin de determinar el potencial de estos dos materiales para la obtención de bioetanol, se evaluó el efecto de diferentes condiciones del pretratamiento alcalino con NaOH (temperatura, relación sólido a líquido, concentración de NaOH y tiem-po de residencia) tanto en la recuperación de las fracciones celulósicas y hemicelu-lósicas del material, así como en la productividad del bioalcohol obtenido mediante la fermentación y sacarificación simultaneas (SSF) de los materiales pretratados. La hidrólisis de los materiales pretratados se llevó a cabo usando la enzima comer-cial Accellerase 1500 de Genecor, con una actividad de 50 FPU/mL. Para la hidró-lisis se montaron los sistemas en un shaker a una temperatura de 50ºC, 150 rpm y pH: 4.8. La fermentación mediante el sistema SSF, se llevó a cabo después de 12

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horas de hidrólisis enzimática, utilizando la levadura comercial Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red, inoculando una cantidad de levadura que permita obtener una concentración de 2 g/L de levadura seca en el medio de fermentación, a una temperatura de 37ºC y 180 rpm de agitación y acoplando una trampa de agua para el CO2 liberado durante la fermentación.

Resultados y discusión Los resultados obtenidos muestran que bajo unas condiciones de pretratamiento de 120ºC, por 1 hora con una concentración de NaOH de 2% (w/w) y una relación sólido a líquido de 20 (w/w), se obtienen los más altos rendimientos a etanol cor-respondientes a 27,71 g/l para king grass y 26,05 g/l para pasto elefante. Además, este pretratamiento permitió la remoción de un gran porcentaje de la lignina pre-sente en el material y permitió la recuperación de gran parte de la fracción celulósi-ca en el sólido después del pretratamiento. Sin embargo, no puedo establecerse una correlación entre las condiciones de pretratamiento evaluadas, la remoción de lig-nina y la cantidad de azúcares reductores producida. Los resultados obtenidos en este estudio, son de gran importancia, puesto que constituyen un aporte significati-vo en el campo de materias primas disponibles para su bioconversión en etanol.

Conclusiones Bajo las condiciones evaluadas durante la optimización de la deslignificación alca-lina con NaOH para estos materiales, se pudo observar una alta remoción de ligni-na, 79,4% y 91,5% para pasto elefante y pasto king grass respectivamente. Aunque pudieron lograrse altas remociones de lignina, lo cual es un factor importante para favorecer la hidrólisis enzimática de los materiales, no puede establecerse una rela-ción directa entre los resultados obtenidos y las condiciones evaluadas, esto debido al grado de severidad del pretratamiento que puede lograr efectos diferentes sobre la estructura de los materiales., concentraciones de etanol de obtenidas durante el SSF de los pastos elefante y king grass en 24 horas de fermentación, corresponden a un rendimiento máximo teórico de 70,38% y 86,4%, respectivamente, con relaci-ón a la celulosa contenida en el material pretratado.

Agradecimientos El grupo Procesos Fisicoquímicos Aplicados de la Universidad de Antioquia agradece a Empresas Publicas de Medellín EPM por la financiación del proyecto que enmarca esta investigación

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ACTIVIDAD CELULASA DE HONGOS Trichoderma sp. Y Aspergi-llus spp INDUCIDA POR CASCARILLA DE ARROZ (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Diego Oliveros Gómez1, Angélica Nathalie Guarnizo1, Walter Murillo

Arango1,2, Elizabeth Murillo1,2 1. Universidad del Tolima, Grupo de investigación en productos naturales GIPRONUT, Barrio

Santa Elena, wmurillo@ut.edu.co 2. Universidad del Tolima, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Barrio Santa Ele-

na Introducción Actualmente ha surgido un gran interés frente al uso de subproductos agroindus-triales como materia prima para la obtención de productos de alto valor agregado tales como biocombustibles, compost, enzimas, entre otros [1]. Colombia produce anualmente 1,796,490 t de arroz de las cuales el 20% del peso del grano correspon-de a la cascarilla, la cual constituye un problema de alto costo ambiental por tener un uso limitado debido a su estructura recalcitrante [2]. El uso de microorganismos, principalmente hongos cobra relevancia gracias a su capacidad para degradar resi-duos lignocelulósicos ofreciendo ventajas sobre la hidrólisis química y favore-ciendo el aprovechamiento de los mismos, a bajo costo, de forma más limpia y sin el requerimiento de infraestructura especializada [3]. Por todo lo anterior, este trabajo evaluó la actividad enzimática endoglucanasa, exoglucanasa y β-glucosidasa de hongos del género Trichoderma, Aspergillus y de otros aislados de los desechos de arroz (cascarilla) estableciendo su capacidad para liberar azúcares fermentables.

Materiales y Métodos 1. Determinación de la actividad celulolítica. El proceso de degradación se llevó a cabo en biorreactores de 500 ml que contenía 10 g de cascarilla (previamente trata-da con explosión de vapor o cal diluida) y 18 ml de agua, los cuales fueron inocu-lado con 2 ml de suspensión de esporas a una concentración de 5x106 esporas/mL de cada hongo ((6)Trichoderma sp., Aspergillus sp. y Rhizopus oryzae), el pH se ajustó a 6,5 antes de iniciar el proceso con HCl 0,1 N y NaOH 0,1 N. Posterior-mente, se incubaron a temperatura ambiente (25°C) y se sometieron a agitación constante (150 rpm). 2. Cuantificación de azúcares totales y reductores. Los lixiviados obtenidos de los bioreactores se filtraron al vacío para los análisis de azúcares totales y reductores por los métodos de antrona y ácido 3,5 Dinitro salicílico (DNS) respectivamente, usando un espectrofotómetro (Thermo scientific UV-V HELIOS GAMMA, mode-lo UVG154501). 3. Análisis estadístico. A todos las variables se les aplicó prueba de normalidad mediante la prueba de Kolmogorov-Smirnov y posteriormente se hizo análisis de

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varianza (ANOVA) de una vía con el método de diferencia mínima significativa (LSD) a un nivel de significancia de p<0.05, usando el programa de InfoStat ver-sión estudiantil. Teniendo en cuenta los análisis estadísticos se escogieron los dos hongos con mejor rendimiento para evaluar la actividad celulasa. 4. Actividad celulasa. Los ensayos de actividad se realizaron para los componentes individuales del complejo enzimático. La actividad endoglucanasa se midió si-guiendo la metodología descrita por Zhang et al., [4] y la producción enzimática fue medida de acuerdo a la ecuación de Mandels et al., [5] y Gunjikar et al., [6]. Por otra parte la actividad exoglucanasa se evaluó según la metodología de Zhang et al., (2007) [4]. La actividad exoglucanasa fue calculada de acuerdo a la ecuación de Afolabi, 1997, citado en Zhang et al., (2007) [4]. Finalmente la actividad β-Glucosidasa (celobiasa) se determinó según lo propuesto por Klesov et al., 1981, citado en Zhang et al., (2007) [4], mientras que la actividad β-glucosidasa fue de-terminada de acuerdo a la ecuación propuesta por Afolabi, 1997, citado en Zhang et al., (2007) [4].

Resultados y Discusión El análisis de varianza mostro que al combinar los dos pretratamientos con las diferentes cepas fúngicas se libera una mayor cantidad de azucares totales por el pretratamiento de explosión de vapor, generando 2,9 y 1,4 veces más azúcares que la cal diluida y cascarilla sin pretratamiento respectivamente. No obstante, estos tratamientos no mejoraron la liberación azúcares reductores, ya que el material sin tratar fue el que más rindió, liberando 1,5 y 1,3 veces más azúcares que los pretra-tamientos aplicados. Por otra parte, el comportamiento del ensayo durante el tiem-po de muestreo, pone en evidencia la producción constante de azúcares, la cual fue disminuyendo con el transcurso del tiempo, alcanzando la máxima concentración en la primera semana (1489,41 µg/ml de azúcares totales y 610,83 µg/ml para azú-cares reductores); dicho comportamiento puede deberse a que el hongo toma una parte de los azúcares para el desarrollo de sus procesos metabólicos [7] y también a la “disminución de la actividad enzimática causada por la absorción de las enzimas en la matriz de celulosa y lignina” [8]. Estos azúcares reductores provenientes de la degradación, sí en su totalidad se fermentaran para obtener etanol, sin tener en cuenta inhibidores y teniendo un rendimiento teórico del 100% podrían conseguirse porcentajes de conversión máximos de etanol del 31,28%. La actividad endogluca-nasa y exoglucanasa mostraron comportamientos similares en las cepas usadas (Aspergillus spp. y Trichoderma sp. 1) durante 288 horas del ensayo, sin embargo se presentó mayor actividad endoglucanasa por parte de Trichoderma sp. 1 transcu-rridas 240 horas del experimento; siendo esto inverso a los resultados de investiga-ciones anteriores como la de Manjarrés et al., (2011) [9], que se podrían atribuir a la conformación de la cascarilla, la cual favorecería la inducción enzimática del hongo. Por otra parte la actividad β-Glucosidasa presentó similitud entre los dos hongos empleados con valores máximos de 0,150 UI/ml a las 192 horas para As-

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pergillus sp. y de 0,140 UI/ml para Trichoderma sp. 1, por lo tanto durante todo el ensayo (288 h) no hubo disminución en la actividad β-Glucosidasa por parte de Trichoderma sp. 1 y encontrando una alta actividad para Aspergillus spp., contrario a lo reportan Manjarrés et al. [9], donde se señala una baja actividad de β-Glucosidasas para Trichoderma sp. y una alta para Aspergillus sp..

Conclusiones El trabajo mostró la aplicabilidad agroindustrial de la cascarilla de arroz como ma-teria prima para la posterior fermentación y obtención de compuestos de valor agregado como etanol, mostrando que los azúcares obtenidos por desdoblamiento de este material, aplicando explosión de vapor combinado de un proceso posterior de degradación enzimática con los hongos Aspergillus sp. y Trichoderma sp 1.. Igualmente, se evidenció que estas cepas pueden tener un sistema enzimático similar y que hongos nativos del sustrato como Aspergillus sp. ofrecen un potencial comparable al de hongos como Trichoderma sp. 1 para ser empleadas en procesos de degradación de materiales celulósicos.

Agradecimientos: Al grupo GIPRONUT y la oficina de investigaciones y desarrollo científico de la Universidad del Tolima por el apoyo y la infraestructura brindada durante el desarrollo del trabajo. Referencias

1. Sánchez C: Lignocellulosic residues: biodegradation and bioconversion by fungi. Biotech-nology Advances 2009;27:185-194.

2. Yu J, Zhang J, He J, Liu Z, Yu Z: Combinations of mild physical or chemical pretreatment with biological pretreatment for enzymatic hydrolysis of rice hull. Bioresource technology 2009;100:903-908.

3. Martínez-Anaya C, Balcázar-López E, Dantán-González E, Folch-Mallol JL: Celulasas fúngicas: Aspectos biológicos y aplicaciones en la industria energética. Rev Latinoam Mi-crobiol 2008;50:119-131.

4. Zhang Q, Lo CM, Ju LK: Factors affecting foaming behavior in cellulase fermentation by Trichoderma reesei Rut C-30. Bioresource technology 2007;98:753-760.

5. Mandels M, Andreotti R, Roche C: Measurement of saccharifying cellulase. Biotechnology for Biofuels 2009;2:21-33.

6. Gunjikar TP, Sawant SB, Joshi JB: Shear deactivation of cellulase, exoglucanase, endoglucanase, and beta-glucosidase in a mechanically agitated reactor. Biotechnol 2001;17:1166-1168.

7. Taniguchi M, Suzuki H, Watanabe D, Sakai K, Hoshino K, Tanaka T: Evaluation of pre-treatment with Pleurotus ostreatus for enzymatic hydrolysis of rice straw. Journal of bios-cience and bioengineering 2005;100:637-643.

8. Rodríguez I, Piñeros Y: Producción de complejos Enzimáticos celulolíticos mediante el cul-tivo en fase sólida de Trichoderma sp. Sobre los racimos vacíos de palma de aceite como sustrato. Revista de la Facultad de Química Farmacéutica 2007;14:35-42.

9. Manjarrés K, Piñeros Y, Rodríguez E: Evaluación del complejo enzimático producido me-diante el cocultivo de Aspergillus sp. y Trichoderma sp. en fase sólida sobre residuo de palma. Bioagro 2011;23:19-26.

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EFECTO DE LA TÉCNICA DE PRETRATAMIENTO EN EL RENDIMIENTO DE ETANOL A PARTIR DE BIOMASA

MADERABLE DISPONIBLE EN COLOMBIA (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

L. Ríos1, E. Gómez1 y J. Peña2

1. Universidad de Antioquia, Grupo Procesos Fisicoquímicos Aplicados, carrera 52 No. 61 - 30, Sede

de Investigación Universitaria, torre 2, Medellín, larios@udea.edu.co 2. Empresas Públicas de Medellín E.S.P., Carrera 58 No. 42 - 125, Juan.Pena.Alvarez@epm.com.co

Introducción La producción actual de bioetanol se fundamenta en materias primas aprovechables para la alimentación humana, lo que ha generado un gran debate acerca de su sos-tenibilidad. En este contexto, el bioetanol producido a partir de biomasa lignoce-lulósica es una alternativa interesante, ya que las materias primas lignocelulósicas no compiten con los cultivos alimentarios y también son menos costosas que las materias primas agrícolas convencionales. La madera es una de las biomasas lignocelulósicas más promisorias en términos de su disponibilidad y abundancia. Particularmente en Colombia, existen varios facto-res que sustentan esto: alta disponibilidad, buen desarrollo tecnológico en el campo y la gran demanda comercial de productos derivados del pino y del eucalipto. Por lo tanto, se busca aprovechar esta biomasa lignocelulósica en la producción de bioetanol, pero dado que es necesario romper la estructura lignocelulósica es fun-damental la inclusión de una etapa de acondicionamiento de la biomasa lignoce-lulósica.

Materiales y Métodos Astillas de madera de Pinus patula y Eucalyptus camaldulensis, libres de corteza fueron provistas por la industria maderera de Guarne, Antioquia. Las astillas fueron molidas hasta alcanzar un tamaño entre 1 mm y 3 mm. La caracterización fisico-química de la madera de Pinus patula y Eucalipto camaldulensis se llevó a cabo siguiendo los protocolos para la caracterización de biomasa del National Renewa-ble Energy Laboratory (NREL) e incluyó determinación de cenizas, extractivos, carbohidratos estructurales y lignina. Posteriormente las astillas fueron pretratadas mediante ozonólisis (flujo 5,4 mg O3/min, relación sólido-líquido 1:6, 60 min), remojo con amoniaco (NH3 15% p/p, relación sólido-líquido 1:6, 60°C, 6 h), des-lignificación alcalina (NaOH 1% p/p, relación sólido-líquido 1:15, 120°C, 200 kPa, 30 min), hidrólisis ácida diluida (H2SO4 2% p/p, relación sólido-líquido 1:10, 90°C, 90 min), Organosolv (acetona 50% v/v, H2SO4 0,9% p/p, relación sólido-líquido 1:7, 185°C, 30 min) y explosión con vapor (H2SO4 0,175% p/p, relación sólido-líquido 3:40, 210°C, 1,9 MPa, 2 min) para acondicionar los materiales para

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la etapa de hidrólisis enzimática. Esta etapa se llevó a cabo con el pull enzimático comercial Accellerase 1500 de Genecor, para continuar con la fermentación del hidrolizado con la cepa Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red en una configura-ción de sacarificación y fermentación simultáneas (SSF). Los resultados de esta etapa de SSF permitieron seleccionar el mejor método de pretratamiento, basado en el rendimiento de etanol.

Resultados y discusión Luego de una etapa experimental preliminar, las astillas pretratadas mediante deslignificación alcalina, extracción con solventes orgánicos (organosolv) y explosión con vapor mostraron contenidos de azúcares reductores de 4,34 g/L, 5,22 g/L and 4,76, respectivamente. Para Eucalyptus camaldulensis, y 4,14 g/L, 5,22 g/L and 5,42 g/L, respectivamente, para Pinus patula. Respecto a rendimiento de etanol, estos pretratamientos mostraron diferentes desempeños con ambas biomasas maderables. La biomasa pretratada mediante deslignificación alcalina arrojó los mejores resultados de rendimiento de etanol produciendo 2,18 g/L y 2,61 g/L para Eucalyptus camaldulensis y Pinus patula, respectivamente. La extracción con solventes orgánicos y la explosión con vapor tuvieron también buen efecto sobre las astillas ya que el material pretratado mediante estos métodos produjo rendimientos de etanol smilares de 1,92 g/L para Eucalyptus camaldulensis, al tiempo que la madera de pino pretratada con las técnicas organosolv e hidrólisis ácida diluida produjo 1,95 g/L and 2,57 g/L de etanol, respectivamente. Además de la evaluación de los diferentes pretratamientos, se llevó a cabo una optimización de la deslignificación con NaOH y de la explosión con vapor, obteniendo contenidos de azúcares reductores de 10,64 g/L para las astillas de eucalipto (5%, 120°C) y 14,45g/L para las astillas de pino (5%, 80°C), amboscomo resultados más sobresalientes para la deslignificación con NaOH. Los experimentos de la optimización de la explosión con vapor no proveyeron datos diferentes en comparación con los de la evaluación preliminar del pretratamiento. Aún con estos contenidos de azúcares reductores relativamente altos de los materiales pretratados mediante deslignificación alcalina y explosión con vapor, los rendimientos de etanol no fueron tan altos como se esperaba, lo que puede explicarse por los efectos inhibitorios causados por la presencia de compuestos aromáticos producidos en la degradación de la lignina en estos pretratamientos.

Conclusiones La deslignificación alcalina, la explosión con vapor y la extracción con solventes orgánicos han probado ser los pretratamientos más efectivos en maderas colombia-nas para producir bioetanol carburante. Podrían obtenerse mejores resultados eva-luando diversas combinaciones de estas tres tecnologías. La investigación en este campo es altamente recomendada, dado el gran beneficio extraíble de los recursos maderables disponibles en Colombia.

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BIOCONVERSIÓN MATERIAL LIGNOCELULOSICO A PARTIR DE PIENZOS POR DOS CEPAS DE Aspergillus niger (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Amado-González, Eliseo 1, Tafur-Solano, Edwin 2.

1. Universidad de Pamplona, grupo de energía, transformación química y medio ambiente, km 1 vía Bucaramanga, L-206 IBEAR, Pamplona. eamado@unipamplona.edu.co

2. Universidad de Pamplona, grupo de energía, transformación química y medio ambiente, km 1 vía Bucaramanga, L-206 IBEAR, Pamplona Programa de Microbiología.

Introducción La búsqueda de tecnologías para obtener azucares fermentables a partir de material lignocelulósico con el fin de ser convertidos a bioetanol es el objeto de numerosas investigaciones en las última década. Es este estudio se evaluó la actividad hidrolí-tica de las enzimas celulasas producidas por 2 cepas de Aspergillus niger sobre pasto morado. (a) Materiales y Métodos Se utilizó cepas Aspergillus niger ATCC 16404 /cepa B modificada y Aspergillus niger HAN001/cepa A modificada para celulasas y hemicelulasas. Se utilizó Agar Sabouraud y tiras papel filtro de carboximetilcelulosa (CMC) Whatman nº 1, se incubaron a 25 ± 1°C por un periodo de 6 días hasta lograr la esporulación. Las conidias se recuperaron en una solución salina con agua destilada estéril y cloruro de sodio 0.85 % (p/v). Se realizaron los recuentos en la cámara de Neubauer. Se utilizaron 4 bioreactor batch de 250 mL. El sustrato (pasto morado) se molió y tamizó entre 0.180 - 0.850 mm, posteriormente la muestra se esterilizo. Los biore-actores se inocularon con 10mL de la suspensión de conidias a 6 x103 coni-dias/mL para la cepa A y 3 x103 conidias/mL para la cepa B. Los bioreactores se 30 ± 1°C con agitación orbital de 175 rpm por un periodo de 144 horas. El sobrena-dante clarificado se conservó a 4ºC hasta el día. La actividad enzimática de celula-sa total se calculó según el método de Ghose (b,c). La medición de azucares reductores totales producidos cada 24 horas durante la fermentación por la actividad enzimática de los microorganismos y el ensayo de actividad de celulasa total se realizó de acuerdo al método de ácido 3,5-dinitrosalicílico (DNS) (d), utilizando glucosa como estándar. La absorbancia se midió en un espectrofotómetro (Merck SQ118) a 520 nm. El porcentaje de sacari-ficación fue calculado con la ecuación 1:

% sacarificación: azúcares reductores (mg/mL) x 100 [1]

Sustrato (mg/mL)

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Resultados y discusión La liberación de azucares reductores totales (ART) por la bioconversión de los polímeros de celulosa presentes en la pared celular del sustrato utilizado en el que se puede observar en la figura 1 y 2 el aumento progresivo de los ART durante el periodo de incubación.

Figura 1. Comparación en la producción de ART y porcentaje de sacarificación a partir de pienzos en

medios 1 y 2 por: A. niger HAN 001 (A) y A. niger ATCC 16404 (B) (■) Relación de azucares (mg/mL); (◊) % sacarificación.

Al comparar los ART de los biorreactores A1 y A2, B1 y B2 se deduce que la au-sencia o presencia de los nutrientes adicionados en los cultivos ensayo no presentan una fuerte influencia en el aumento de azucares fermentables producidos. Conclusiones La relación de la actividad enzimática obtenida durante el tiempo de la prueba, muestra una mayor actividad de las celulasas en los biorreactores A1 y B1 (0,0155 μmol / min-mL y 0,0173 μmol/ min-mL, respectivamente) confrontados con los sobrenadantes de los biorreactores A2 y B2 (0,0067 μmol/min-mL y 0,0032 μmol / min-mL). Agradecimientos Los autores agradecen la financiación del proyecto por el IBEAR- Universidad de Pamplona y al Dr. Sergio Latorre por sus sugerencias y facilidades para la obtención de las muestras. Referencias. a. Ballesteros, I., Oliva. J. M., Negro. M.J, Manzanares. P., Ballesteros. M. 2002. Enzymic hydrolysis of steam exploded herbaceous agricultural waste (Brassica carinata) at different particule sizes. Process Biochemistry.38: 187-192. b. Ghose, T. K. (1987) Measurement of Cellulase Activities. Pure & Applied Chemistry 59, No. 2: 257-268. c. Vries, R. P. d., y Visser, J. (2001) Aspergillus Enzymes Involved in Degradation of Plant Cell Wall Polysaccharides. Microbiology and molecular biology reviews. Vol. 65, No. 4: 497-522, d. Miller, G. L.(1959) Glucose DNS Meted. Analytical Chemistry. Vol.31, No. 426.

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ESTUDIO MICROBIOLÓGICO DE LA ESTABILIDAD DE UN BI-OREACTOR OPERADO EN CONTINUO PARA LA PRODUCCION

DE BIOGAS A PARTIR DEL BAGAZO DE FIQUE (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Fredy Mantilla2, Liliana Castro2, Carolina Guzmán1, Humberto Escalante2

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Estudios e investigaciones Ambientales – CEIAM, Carrera 27 calle 9, A.A. 678, Bucaramanga, Colombia. caguzlun@uis.edu.co

2. Universidad Industrial de Santander, Grupo de Investigación en Bioquímica y Microbiología, Carrera 27 calle 9, A.A. 678, Bucaramanga, Colombia. escala@uis.edu.co

Introducción La digestión anaerobia (DA) de biomasa lignocelulósica ha demostrado ser una alternativa para la generación de energía renovable. El proceso fermentativo es realizado por diferentes especies de microorganismos que actúan en sintrofia du-rante las etapas de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesisa. La mezcla de líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo (LR-EC) demostró ser un con-sorcio eficaz en la bioconversión del bagazo de fique teniendo en cuenta su alta actividad hidrolítica y metanogénica (0.068 g COD glucosa/g SSV día y 0.146 g COD CH4/ g SSV día, respectivamente) además de su potencial de biometaniza-ción de 0.3 m3 CH4/Kg sólido volátil adicionadob. El éxito de la DA depende del equilibrio de hidrólisis/acidogénesis. Un desequilibrio en la población microbiana resulta en la acumulación de compuestos intermediarios que inhiben el crecimiento de metanógenos y disminuye los rendimientos de producción de biogásc. El objeti-vo de este trabajo fue evaluar los grupos tróficos presentes en el inóculo y analizar la densidad microbiana durante el funcionamiento de un biorreactor anaerobio de bagazo de fique operado en continuo.

Materiales y Métodos

Condiciones de Operación del Reactor. El reactor se operó continuamente duran-te 120 días, adicionando diariamente 300 g de BF y haciendo descargas de 260 g de lodo efluente, el cual fue separado en dos fases, la fracción sólida se encaló para su adecuada disposición y la fracción líquida se recirculó al reactor para evitar diges-tión seca.

Cuantificación y caracterización de la población microbiana. La población microbiana se cuantificó cada dos días mediante la técnica del roll tube descrita por Hungate (1950) con modificacionesd. El recuento de grupos tróficos se realizó me-diante la técnica del Numero Más probablee. Las muestras analizadas fueron lodo estiércol de cerdo, líquido ruminal y la mezcla de estos consorcios en relación 1:1. La estabilidad del proceso de digestión se determinó cuantificando los Azúcares Reductores Totales (ART), Ácidos Grasos Volátiles (AGV), relación AGV/alcalinidad total (AGV/AT), pH y volumen de metano producidof.

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Resultados y Discusión El alto recuento de bacterias fermentadoras de glucosa BFG (9,80 x 1011

NMP/gSSV) y bacterias fermentadoras de lactato BFL (1,50 x 1010 NMP/sSSV) en la mezcla líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo indica una mayor actividad enzimática durante las etapas hidrolítica y acidogénica del proceso fermentativo; comparado con los otros inóculos estudiados. Esta característica del inóculo es favorable dado que la hidrólisis es la etapa limitante de la digestión anaerobia de los sustratos lignocelulósicos como el bagazo de fique. Durante el tiempo de ope-ración se mantuvo una densidad microbiana de anaerobias estrictas promedio de 1.8 x 108 UFC/ml, favoreciendo la tasa de conversión del bagazo de fique. Los resultados de los parámetros fisicoquímicos demuestran que el reactor se mantuvo estable durante el tiempo de operación sin riesgo de acidificación, alcanzando una producción de 1.30 m3 Biogás/m3 reactor*día, con una composición de 65% CH4, 30% CO2 y 5% otros gases.

Conclusiones El recuento de grupos tróficos de la mezcla líquido ruminal y lodo estiércol de cerdo demuestra que existe un equilibrio de las poblaciones microbianas que favo-rece la degradación de sustratos de tipo vegetal como el bagazo de fique. La prin-cipal ventaja de combinar inóculos está en aprovechar el efecto sinérgico de las mezclas y compensar las carencias de cada uno de los inóculos por separado. Durante 120 días de operación los niveles de concentración de consumo de ART y producción de AGVT mostraron concordancia con la dinámica de crecimiento microbiano. La estabilidad del proceso en continuo se alcanza cuando se mantiene una densidad de la población microbiana de 1,8x108 UFC/ml.

Agradecimientos Los autores agradecen la financiación de este proyecto al Departamento Administrativo de Ciencia Tecnología e Innovación COLCIENCIAS (Nro.475-2007), Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Colombia (Nro. 2008J31063-4099) y VIE de la Universidad Industrial de Santander (UIS).

Referencias a. Chandra, R., Takeuchi, H., Hasegawa, T. 2012. Methane production from lignocellulosic

agricultural crop wastes: A review in context to second generation of biofuel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 16: 1462-1476

b. Quintero, M., Castro, L., Ortiz, C., Guzmán, C., Escalante, H. 2012. Enhancement of start-ing up anaerobic digestión of lignocellulosic substrate: fique’s bagasse as an example. Bioresource Technology. 108: 8-13.

c. Bialek K., Kim J., Lee C., Collins G., Mahony T., O’Flaherty V. 2011. Quantitative and qualitative analyses of methanogenic community development in high-rate anaerobic biore-actors. Water Research. 45: 1298-1308.

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d. Eller, C., Crabill, M., Bryant, M. 1971. Anaerobic Roll tube Media for Nonselective enu-meration and Isolation of Bacteria in Human Feces. Applied Microbiology. 22: 522-529.

e. Diaz, M., Espitia, S., Molina, F. 2002. Digestión anaerobia: una aproximación a la tecnolog-ía. Editorial Universidad Nacional de Colombia, UNIBIBLOS. 43-45.

f. APHA – American Public Health Association. 1998. Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. Edition 20th. Washington, USA.

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OPTIMIZACIÓN DE LA HIDRÓLISIS ACIDA DEL JACINTO DE AGUA (Eichhornia crassipes) PARA LA OBTENCIÓN DE AZUCA-

RES FERMENTABLES. (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Juan Reales1, Giselle Arzuaga2, Lizeth Trujillo2, Ángel Polo2 y Hader Casta-

ño3.

1. Universidad Popular del Cesar, Grupo Biotecnología e Innovación Agroindustrial, Sede Hurtado, Valledupar. juanreales@unicesar.edu.co.

2. Universidad Popular del Cesar, Grupo de Optimización Agroindustrial, Sede Hurtado, Valledupar. tairina.trujillo@gmail.com

3. Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Grupo Química Básica y Aplicada a Procesos Bio-químicos, Biotecnológicos y Ambientes. Carrera 48 #7-151, Medellín. hicastano@elpoli.edu.co.

Introducción El aspecto ornamental del Jacinto de Agua (Eichhornia crassipes) originó su ex-portación a estanques y láminas acuáticas de jardines en climas templados y cáli-dos, ocasionando problemas ambientales por su alta tasa de crecimiento y propaga-ción. Una alternativa poco evaluada de aprovechamiento de esta biomasa es la ob-tención de etanol, la cual puede contribuir a la mitigación de los problemas asocia-dos a esta planta. En este estudió se investigó el efecto de la carga de sólidos, con-centración de ácido y tiempo de reacción sobre la producción de azucares fermen-tables, como etapa previa a la transformación del Jacinto a etanol [a, b, c]. Materiales y Métodos Pretratamiento Las hojas y tallos fueron separados y reducidos (2-2,5 cm), secados en estufa a 105°C/ 6 horas y molidos hasta un tamaño de 1,18 mm. Las fracciones fueron mez-cladas en una relación 1:1 como sustrato para el proceso de hidrólisis ácida. Diseño experimental Se evaluaron los efectos del porcentaje de sólidos (10-12,5%p/v), concentración de ácido (1-3% p/v) y tiempo de reacción (15-25 min), en la liberación de azúcares reductores, empleando un diseño central compuesto con cuatro repeticiones en el centro. Resultados y discusión El ANOVA (ver Tabla 1), muestra que la concentración de ácido, y los términos cuadráticos de la concentración de ácido y tiempo, ejercen un efecto significativo en la producción de azúcares reductores. Se observa que el porcentaje de sólidos

61

realiza un gran aporte en la obtención de azúcares fermentables, hecho que se refle-ja en el valor-P.

Tabla 1. ANOVA para azúcares reductores

*A=Sólidos (%p/v), B=Ácido (%), C=Tiempo (min). La ecuación de regresión [1] con R2=0,88 y las variables en unidades codificadas junto con los términos que ejercieron un efecto significativo y apreciable en la libe-ración de azúcares reductores (AR) es la siguiente:

[1] Las condiciones óptimas predichas por el modelo, considerando la relación co-sto/beneficio fueron: 11,25% p/v de sólidos, 2% H2SO4, y 20 minutos de tiempo de reacción a 121 °C/15 lb de presión. Bajo estas condiciones se logran producir 29,3 g de azucares/100gr de biomasa seca, valor que supera a lo reportado por Kumar et al, 2009, esto es, 18,8 g/ 100 g de biomasa seca, resultado que demuestra el mayor efecto hidrolítico de las condiciones aquí encontradas. Conclusiones La variable que posee un efecto relevante en las condiciones estudiadas es la concentración de ácido. Se encontraron como condiciones óptimas 11,25% p/v de sólidos, 2% de H2SO4 durante 20 minutos a 121°C/ 15 lb de presión, condiciones que permiten obtener un rendimiento de 29,3 g de azucares/100gr de biomasa seca.

Agradecimientos Los autores agradecen al Grupo de Investigación en Química Básica y Aplicada a procesos Bioquími-cos, Biotecnológicos y Ambientes, del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid y al Centro de Investigación para el Desarrollo de la Ingeniería de la Universidad Popular del Cesar por financiar el proyecto.

Referencias [a] GANGULY, A., CHATTERJEE, P.K., DEY, A. Studies on ethanol production from water hya-cinth-A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16. 2012. p. 966-972 [b] KUMAR, A., SINGH, L.K. and GHOSH, S. Bioconversion of lignocellulosic fraction of water-hyacinth (Eichhornia crassipes) hemicellulose acid hydrolysate to ethanol by Pichia stipitis. Bioresource Technology 100. 2009. p.3293–3297. [c] MISHIMA, D., et al. Ethanol production from candidate energy crops: Water hyacinth (Eichhornia crassipes) and water lettuce (Pistia stratiotes L.). Bioresource Technology 99. 2008. p. 2495-2500.

Fuente* Suma de Cua-drados

Gl CM Razón F Valor-P

A 112,923 1 112,923 5,27 0,0509 B 526,02 1 526,02 24,53 0,0011

AA 92,7006 1 92,7006 4,32 0,0712 BB 539,507 1 539,507 25,16 0,0010 CC 586,946 1 586,946 27,37 0,0008

Falta de ajuste 47,7628 4 11,9407 0,56 0,7005 Error puro 171,551 8 21,4439

Total (corr.) 1792,02 17

62

Tabla 5. Condiciones Experimentales en el Quemador

Llama Fracción Molar (%)

Puerto Oxidante Puerto Combustible N2 O2 Oxigenado C3H8 N2

Dimetil Carbonato 38 62 9,2 0 90.8 Dietil Carbonato 38 62 9,2 0 90.8 Propano 39 61 0 10 90 Propano + DMC 39 61 4 5 91 Propano + DEC 39 61 4 5 91

Oxidante

B-1

GC

N2 CF-1

MF-1F7

F10

V-1

F11

F14F12

Propano

F15CF-2

V-2

F16

F9

DEC

CF-3

I-1

F19 F20F21

F17

O2

C-1

CF-4

F1

MF-2

F4

F2

F5F3

F13

F18

F8

F6

Combustible

F22

F23

F24

F25

Figura 1. Diagrama Experimental del Quemador

Síntesis y evaluación química de la combustión de aditivos oxigenados obtenidos a partir de Bioetanol y Dióxido de car-

bono: Caso del Dietil Carbonato (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

O. Arbeláez, Juan D. Ripoll, A. Orrego, F. Bustamante y A. L. Villa

Universidad de Antioquia, Catálisis Ambiental, Sede de Investigación Universitaria, Cra. 53 No. 61-30.

Introducción La disminución de la calidad del aire por el uso de combustibles fósiles, ha incen-tivado numerosas investigaciones enfocadas al desarrollo de aditivos oxigenados que permitan mejorar la eficiencia de la combustión y reducir las emisiones de contaminantes. Uno de ellos es el Dietil Carbonato (DEC), el cual puede producir-se a partir de CO2 (una fuente de carbono de bajo costo y alta disponibilidad) y Bioetanol (producto de la fermentación de la biomasa) [1]. Este compuesto oxige-nado, además de que puede ser obtenido mediante bioderivados, muestra ser un atractivo aditivo oxigenado debido a su alto porcentaje en peso de oxigeno y que al ser mezclado con biodiesel o diesel, potencialmente reduciría las emisiones de hollín entre otros productos no deseados[4]. El propósito del presente trabajo es mostrar la actividad catalítica de diferentes materiales en la síntesis directa de Die-til Carbonato y la posterior determinación de los productos de combustión del DEC al ser utilizado como un aditivo oxigenado en una llama de no-premezcla de flujo opuesto usando propano como combustible modelo. Materiales y Métodos Los catalizadores Cu-Ni soportados en carbón activado y zirconia se prepararon por métodos previamente reportados [2,3]. La actividad catalítica de los materiales preparados se evaluó a 13 bares y 90 °C en un reactor tubular de flujo continuo con 0.5 g de catalizador. La concentración de los reactivos (CO2 y Etanol) y el producto de interés DEC se determinó en línea con un espectrómetro de masas Thermostar 200 (Pfeiffer). Posteriormente la combustión del DEC puro y los efec-tos sinergisticos al ser usado como aditivo oxigenado en una mezcla con propano fueron evaluados en un quemador de llama de flujo opuesto de no-premezcla (ver figura 2). Cada uno de los productos de combustión fueron determinados mediante diferentes metodologías en Cromatografía de Gases (GC/FID,GC/TCD). Cinco llamas diferentes fueron evaluadas, mediante las condiciones mostradas en la Tabla 1.

63

Resultados y Discusión La figura 2. muestra los resultados de la evaluación catalítica de los catali-zadores probados. De acuerdo a los resultados obtenidos se encontró para ambos soportes que los catalizadores bimetálicos presentan mayor activi-dad que los monometalicos, además que la relación Cu:Ni está directamente relacionada con la actividad catalítica encontrando que un mayor contenido de Cu aumenta la conversión del etanol encontrando óptima la relación 3:1 para el carbón activado y 2:1 en el caso de la zirconia.

Productos de Combustión en la Llama

Cu 3-1 2-1 1-1 1-2 1-3 Ni0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Conv

ersion

etan

ol(%)

AC ZrO2

0.61

2.73

1.81 1.86

0.81

1.56

0.29

1.13

2.07

2.62

0.420.54

2.26

1.14

Conclusiones Los resultados muestran que la combustión del DMC aporta menos hidrocarburos insatura-dos (Etileno, Acetileno) que el DEC. La relación CO/CO2 se ve altamente disminuida para el caso del DEC con respecto al DMC. Propano, Propano + IPA, propano+DMM ya repor-tados muestran niveles similares en la concentración de etileno, mientras que la mezcla propano + DMC mostro el nivel más bajo y la mezcla propano + DEC mostro solo 3500 ppm más que el propano. El efecto del DEC y el DMC como aditivo muestra reducir el nivel de acetileno con respecto al propano. También se observa que tanto el DMC como el DEC presentan efectos sinergisticos los cuales sugieren la disminución de material particu-lado al ser usados como aditivos oxigenados. Las diferentes especies determinadas, son acordes con el mecanismo de reacción planteado para el DEC. Agradecimientos: Proyecto Fijación del CO2 producido durante la fermentación de biomasa mediante procesos ambientalmente benignos. Ministerio de Agricultura y Fomento Rural, Medellín. A la Doctora Consuelo Montes de Correa.

Figura 3. Perfil de concentración de los productos de combustión en una llama de Propano y Propano + DEC.

Figura 3. Comparación de la concentración de los diferentes productos de combustión en una llama de DMC,DEC, Propano, Propano + DEC, Propano + DMC, Propano + IPA, Propano + DMM.

Figura 2. Actividad catalítica de los catalizadores mono y bimetálicos de Cu-Ni ensayados.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

Mo

le F

rac

tion

Distance from fuel port (cm)

CO2 CO

Propane + DEC Flame

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

Mol

e F

ract

ion

Distance from fuel port (cm)

Ethylene Ethane Acetylene

Propane + DEC

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

Mol

e Fr

actio

n

Distance from fuel port (cm)

CO2 CO Propane

Propane Flame

Llama Propano Propano + DEC Propano + DEC

Comparación DEC y DMC Comparación Diferentes Aditivos Oxigenados

64

Referencias 1. W. Dai, S. Luo, S. Yin, C. Au, Appl, Catal. 366 (2009) 2. 2. J. Bian, M. Xiao, S. Wang, X. Wang, Y. Lu, Y. Meng, Chem. Eng. J. 147 (2009) 287. 3. A. Sinha and M.J. Thomson ,," Combustion and Flame 136, pp. 548-556 (2004). 4. C. Montes, L. Martinez, J. Odriozola, M.Centeno Catal. Today. 107 (2005) 800

65

DESLIGNIFICACIÓN DE RESIDUOS DE COSECHA DE CAÑA DE AZÚCAR UTILIZANDO ETANOL

(Utilización de materiales lignocelulósicos para la producción de biocombustibles)

Yesid Fabián Zambrano Salgado1, Jorge Enrique López Galán2 y Luz marina Flórez Pardo3

1. Universidad del Valle, GRUBIOC, yesidfz@yahoo.com

2. Universidad del Valle, GRUBIOC, jorge.lopez@correounivalle.edu.co. 3. Universidad Autónoma de Occidente, GRUBIOC, lmflorez@uao.edu.co.

Introducción La actividad agrícola, constantemente genera con sus residuos provenientes de la cosecha, problemas ambientales y de procesos de beneficio. En el valle del Cauca, la caña de azúcar representa el principal producto agroindustrial de la región y se estima una disponibilidad aproximada de 6 millones de toneladas por año. Su acu-mulación ocasiona diversos problemas para las labores propias del cultivo. La alternativa tradicional para solucionar este problema ha sido la quema de este material antes o después de la cosecha, pero las entidades ambientales han prohibi-do esta práctica. Estos residuos constituyen una fuente de biomasa lignocelulósica importante, que puede ser usada entre otras posibilidades para la producción de combustibles renovables como el etanol, por esta razón el grupo interinstitucional de investigaciones en biocombustibles (GRUBIOC) ha estudiado las diferentes etapas de la cadena productiva para la producción de etanol a partir de estos resi-duos. Una de estas etapas es la deslignificación del material lignocelulósico, para el cual se dispone de diferentes tipos de procesos. Entre estos procesos el uso de eta-nol a alta presión ha mostrado gran eficacia y el motivo del presente trabajo fue encontrar las condiciones más adecuadas para este proceso y analizar su efecto sobre los residuos.

Materiales y Métodos La mezcla de hojas y cogollos fue suministrada por Cenicaña (variedad CC-8592). Esta caña fue cosechada en corte verde manual. El tratamiento posterior fue una molienda gruesa (tamaño aproximado de 4 cm), secado al sol hasta alcanzar una humedad inferior a 13% y su conservación en bolsas de polipropileno. Se investigó la influencia de diferentes variables sobre el rendimiento de desligni-ficación, sobre la cantidad de material disuelto y los cambios químicos y físicos del material lignocelulósico. Las variables analizadas para este pretratamiento fueron la Temperatura, Concentración de etanol, Tamaño y la relación Liquido a sólido. El método experimental escogido para realizar este análisis fue un diseño factorial. Para los ensayos se utilizó un reactor diseñado para trabajo a alta presión y la tem-peratura se controló de forma automática. El catalizador utilizado fue hidróxido de

66

sodio al 3% (p/v). Posterior al proceso de deslignificación se realizó lavado con etanol y lavado con agua destilada, filtración y las pruebas químicas respectivas.

Resultados y discusión Bajo las condiciones experimentales utilizadas, las variables que tienen una in-fluencia significativa (confiabilidad del 95%) en la reducción de la cantidad de lignina son la relación líquido/sólido y la concentración de etanol. El tamaño de partícula y la temperatura no tuvieron un efecto importante para esta variable de respuesta. La variable de respuesta de pérdida de peso del material sólido no mues-tra una influencia significativa de ninguna de las variables analizadas. El proceso utilizado permitió obtener una fibra rica en celulosa al alcanzar altos rendimientos en la remoción de lignina y celulosa (Figura 1). El análisis con difracción de rayos X (figura 2) permitió establecer que el proceso utilizado aumentó el índice de cristalinidad de la fibra al remover parte de la celu-losa amorfa y los análisis con FTIR (figura 3) permitieron establecer los cambios en la lignina de la fibra.

Conclusiones En el proceso de deslignificación con etanol de residuos de cosecha de caña de azúcar las variables de mayor influencia son la relación líquido/sólido y la concen-tración de etanol. Con este proceso se obtuvo una alta remoción de lignina y hemi-celulosa además de aumentar el índice de cristalinidad al remover parte de la celu-losa amorfa.

Figura 1. Microscopía (SEM*1600x) de las fibras de residuos de caña de azúcar con y sin

deslignificación. A) Material sin tratamiento, B) Material deslignificado.

67

Agradecimientos Agradecimientos al ministerio de agricultura y a la Ecole Polytechnique Fédéralede Lausanne (EPFL) por el apoyo económico a este proyecto. A Jairo salcedo (Universidad de Sucre) y Alexis Ferrer (Instituto Zuliano de investigaciones tecnológicas) por su colaboración en la rea-lización de las pruebas analíticas de las fibras.

600

1100

1600

2100

2600

3100

3600

4 9 14 19 24 29 34 39

Seña

l (ua

)

2.teta

ET-10

ET-9

ET-7

Sustrato

Figura 2. Difracción de rayos X del sustrato y algunas fibras seleccionadas.

Figura 3. FTIR de las fibras obtenidas.

68

PRETRATAMIENTO DE HIDROLIS DE Penisetum purpureum CON SOLUCIONES DILUIDAS DE ACIDO FOSFORICO Y SULFURICO

Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico Amado-González, Eliseo 1, Bohórquez-Yánez, Christian 1, Calderon-Mejia,

Erich 2. 1. Universidad de Pamplona, grupo de energía, transformación química y medio ambiente, km 1 vía

Bucaramanga, L-206 IBEAR, Pamplona. eamado@unipamplona.edu.co 2. Fharmavicola, Bucaramanga. gerencia@fharmavicola.com.co.

Introducción La biomasa celulósica representa la única fuente previsible y sustentable de com-bustible orgánico. Materiales y Métodos Los experimentos de hidrólisis se realizaron por triplicado en un autoclave a 127 ºC con muestras que contenían 0.5, o 1.0 g acido/ 100 g. Los experimento se reali-zaron usando una relación de 2, 4, 6, o 8 g azúcar/ 100 g de agua. Las muestras fueron colectadas a los diferentes tiempos entre 30 – 90 min y centrifugada. El contenido de azucares reductores y ácido acético presente en la fracción liquida de la pre hidrólisis TP-510-42623 (a, b). El furfural fue medido por espectrofotometría a 280 nm (c). Los resultados son reportados en relación al peso seco de la muestra a 25ºC. La Tabla 1 muestra los factores y los respectivos niveles evaluados para la pre-hidrólisis del material lignocelulósico. El rendimiento de hidrolizados (suma de arabinosa, glucosa y xilosa ) o Azúcares reductores (AR) procedente de la hemice-lulosa se calculó de acuerdo a la ecuación [1]: Rendimiento = AR obtenidos / Máximo teórico de AR [1] Máximo teórico de AR = (concentración de biomasa)*(% de materia seca)*(%de hemicelulosa)*1000 % sacarificación: azúcares reductores (mg/mL) x 100 [2] Sustrato (mg/mL)

Tabla 1. Factores experimentales en el proceso de pre-hidrólisis de mate-

rial lignocelulósico, con ácido sulfúrico o ácido fosfórico.

Valor 1 Valor 2 K1 - ACIDO (% p/p) 0,5 1

K2 –(% p/p) 2 4

6 8 K3 - (mm) 2,36 4,75

K4 – Tres.A(min) 30 45 60 90

69

Resultados y discusión a b c

Ren

dim

ient

o AR

(%)

Ren

dim

ient

o AR

(%)

Acido sulfúrico (%p/V)Biomasa (%p/v) 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55

2,03,04,05,06,07,0102030405060708090100110

102030405060708090

100110

Ren

dim

ient

o (%

)

Ren

dim

ient

o (%

)

Tamaño de grano (mm) Biomasa (%p/p)2,53,0

3,54,0

4,55,0

3,04,0

5,06,0

7,08,0

102030405060708090100110

102030405060708090

100110

Ren

dim

ient

o AR

(%)

Ren

dim

ient

o AR

(%)

Tiempo (min)Biomasa (%p/v) 90,080,0

70,060,0

50,040,0

2,03,04,05,06,07,0

102030405060708090100110

102030405060708090

100110

a1 b2 c2

Ren

dim

ient

o ( %

p/p

)

Ren

dim

ient

o ( %

p/p

)

Acidos fosfórico ( %p/p)

Biomasa ( % p/p) 1,000,95

0,900,85

0,800,75

0,700,65

0,600,55

2,03,04,05,06,07,0

152025303540455055606570

152025303540455055606570

Ren

dim

ient

o AR

(%)

Ren

dim

ient

o AR

(%)

Tamaño de grano (mm)Biomasa (% p/v) 5,0

4,54,0

3,53,0

2,5

2,03,0

4,05,0

6,07,0

0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

50

60

70

Ren

dim

ient

o (%

)

Ren

dim

ient

o (%

)

Tiempo de residencia (min)Biomasa (% p/p) 60,0

55,050,0

45,040,0

35,0

2,03,0

4,05,0

6,07,0

-1,0-0,8-0,6-0,4-0,20,00,20,40,60,81,0

-1,0-0,8-0,6-0,4-0,20,00,20,40,60,81,0

Figura 1. Comportamiento del rendimiento de AR en la correlación a,b,c /H2SO4 y a1,b2,c2/ H3PO4 según las condiciones: 1. K1 y K2, 2.K2 y K3 y 3. K2 y K4.

En la Figura 1 se resumen los resultados obtenidos para el pretratamiento ácido de los pastos morados Al comparar los ART de los biorreactores A1 y A2, B1 y B2 se deduce que la au-sencia o presencia de los nutrientes adicionados en los cultivos ensayo no presentan una fuerte influencia en el aumento de azucares fermentables producidos. Conclusiones La hidrolisis ácida usando un autoclave con H3PO4 y H2SO4 permite un fracciona-miento del material lignocelulósico donde el rendimiento AR proviene principal-mente de la hemicelulosa. El ajuste de los datos a la ecuación de RK sugiere que para la hidrólisis con H3PO4 que un aumento en el tiempo de residencia podría mejorar el rendimiento de AR. Los principales compuestos observados son gluco-se, xilosa y arabinosa. La concentración de ácido acético en la hidrólisis con H3PO4 no alcanzo un nivel tóxico para los microorganismos, en el caso del furfural y del HMF, la utilización del licor obtenido, implicaría un proceso de overliming con un aumento en los costos de producción del alcohol. El ajuste de los datos a modelos matemáticos permitirá la predicción de condiciones de optimización para la pro-ducción de azucares reductores Agradecimientos Esta investigación es parte del proyecto No. 191. 2008 FHARMAVICOLA – UNIPAMPLONA des-arrollado en el IBEAR. Referencias. a. National Renewable Energy Laboratory Standard Biomass Analytical Procedures (NREL).Determination of Sugars, Byproducts, and Degradation Products in Liquid Fraction Process Samples, Technical Report NREL/TP-510-42623 Golden, USA. 2008. b.Miller. G. L. Glucose DNS Metodology. Analytical Chemistry. 1959, 31: 426. c. Téllez L, Ramírez J, Vázquez M. Mathematical modelling of hemicellulosic sugar production from sorghum straw. Journal of Food Engineering .2002; 52: 285–291.

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PRODUCCIÓN DE BIOHIDRÓGENO A PARTIR DE DESECHOS AGROINDUSTRIALES Y SU

MODELACIÓN MATEMÁTICA (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Fernando Toscano1, Adrián Rodríguez1,

Diana Calvo2, Manuel Rodríguez2.

1. Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica, Parque Tecnológico Querétaro Sanfandila, Pedro Escobedo, Qro. México. fernandotosc@gmail.com

2. Universidad de los Andes, Bogota, Colombia Introducción En la actualidad, la búsqueda de nuevas fuentes de energía es una prioridad inves-tigativa, debido a la alta demanda de la población, la dependencia energética de fuentes no renovables y el impacto ambiental que causan las mismas. Una de las alternativas encontradas en los últimos años, es el tratamiento de resi-duos agroindustriales que permita, además de reducir el impacto ambiental por la calidad del efluente de tratamiento, obtener una fuente energética viable, limpia y a un bajo costo. Para esto, se desarrollan procesos de digestión anaerobia que logran producir combustibles como lo son el metano y el hidrógeno. El hidrógeno, al ser un combustible limpio, es deseable al desarrollar procesos de digestión anaerobia para el tratamiento de residuos y la producción de energía. Su obtención requiere ciertas condiciones que han sido estudiadas y deben ser proba-das para cada tipo de efluente, como lo son el pH y la temperatura. Debido a lo expuesto anteriormente, esta investigación se basa en evaluar la viabi-lidad de producción de hidrógeno por medio del tratamiento de efluentes agroin-dustriales provenientes de una granja porcícola, residuos de la producción de café y de un beneficiadero de reces. Paralelamente a la realización ensayos en laboratorio, se pretende realizar un análi-sis de los datos obtenidos con ayuda de un modelo matemático que describe y si-mula el proceso biológico, el cual facilitará el escalamiento del reactor a un tamaño piloto. Materiales y Métodos Para establecer las mejores condiciones para la producción de hidrógeno con cada uno de los efluentes industriales analizados, se contó con reactores anaerobios de 4 L de volumen efectivo, con control automático de pH y temperatura. Los reactores se cargaron inicialmente con residuos de café, luego con estiércol de cerdo y posteriormente con agua residual de un beneficiadero de carnes. Se realiza-ron mezclas de aguas residuales industriales y de estiércol de cerdo para establecer si se puede potencializar la producción de hidrógeno por medio de la co-digestión. La operación de los reactores se realizó inicialmente a 37ºC y 7.0 unidades de pH, para ser cambiada gradualmente a 55ºC y 5.5 unidades de pH, reportadas como las

71

mejores condiciones para la producción de hidrógeno. Dentro del seguimiento de los reactores, se realizaron mediciones de DQO (SM 5220 D), DBO (SM 5210 B), SST y SSV (SM 2540 D y E), y ácidos grasos volátiles (MT-PRE-018) además de realizar mediciones iniciales y finales de proteínas, carbohidratos y lípidos. La medición de gases se realizó por medio de infrarrojo para metano y de Hidro-scan® para hidrógeno. Adicionalmente, se realizaron cultivos microbiológicos generales y específicos para Clostridium, con el objetivo de establecer la diversidad microbiológica de los reactores en cada condición. Para la modelación matemática, se utilizó el modelo planteado por la International Water Association IWA para digestión anaerobia, Anaerobic Digestion Model 1 ADM1. El modelo fue implementado en Simulink® dentro del software MA-TLAB®. Resultados y discusión Al realizar el tratamiento de cada uno de los efluentes, se obtuvo un porcentaje máximo de hidrógeno cercano al 50% (ver Figura 1a), llegando a producciones de hidrógeno cercanas a 15 mL/h (ver Figura 1b). Las condiciones necesarias para esta producción en todos los casos fueron 55ºC de temperatura y 5.5 unidades de pH, tal como se reporta.

Figura 1. Izq. Porcentaje de H2 alcanzado. Der: Porcentaje de hidrógeno contra producción de H2

Por otra parte, el modelo matemático para la evaluación de escenarios a gran escala se encuentra desarrollado a partir del modelo ADM1 modificado en MATLAB®, a la espera de su calibración a partir de los datos obtenidos en esta investigación. Conclusiones La producción de hidrógeno a partir de los efluentes tratados en esta investigación es viable acorde con los resultados obtenidos. Por otro lado, la modelación del proceso establecerá las condiciones necesarias para el escalamiento de las condiciones establecidas en laboratorio.

Referencias a. Angelidaki, I., Ellegaard, L., Ahring, B.K. (1999). A comprehensive model of anaerobic bioconversion of complex substrates to biogas. Biotechnology and Bioengineering. 63 (3), p. 363-372. b. Ren, N., Li, J., Li, B., Wang, Y., Liu, S. 2006. Biohydrogen production from molasses by anaerobic fermenta-tion with a pilot-scale bioreactor system. International Journal of Hydrogen Energy. 31: 2147-2157.

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ENZYMATIC HYDROLYSIS OF PALM KERNEL CAKE

Laura V. Zuluaga1 *,Evan Beach2, Carlos E. Orrego3*

1Departamento de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia, Cra 27 #64-60,

Manizales 2 Center for Green Chemistry and Green Engineering, Yale University, New Haven, CT,

USA. 3Instituto de Biotecnología y Agroindustria. Departamento de Física y Química. Universi-

dad Nacional de Colombia, Km. 4 vía al Magdalena, Bloque T, Manizales * ceorregoa@unal.edu.co

Introduction Palm kernel cake (PKC) is a fine granular byproduct of the oil extraction of the palm fruit, obtained from the crushed kernel after the oil has been extracted. Be-cause it is a valuable source of energy, fiber and protein PKC has been used to improve the nutritional balance of animal feed [1]. PKC contains about 50% car-bohydrates, mainly galactomannans, which can be hydrolyzed enzymatically by enzymes such as mannanases. The reducing sugars released can be used as an energy source by various microorganisms for the production of bioethanol. Colombia is the fourth largest producer of palm oil in the world after Indonesia, Malaysia and Thailand and the first in Latin America with a production capacity of 753 000 tons of raw palm oil in 2010 and over 402000 Ha planted. The planting of oil palm in the country is in a rapid growth, recording in recent years an annual increase in planted area of 9% [2]. Mannose is the main carbohydrate present in PKC with a content in the range of 30–35% [3] that could be transformed to ethanol resulted in a solid residue enric-hed in protein from 17% to 28%, a 70% increase, thereby potentially making a high-protein containing feed supplement.[4]. Palm kernel cake also has application as a substrate in solid fermentation of Aspergillus niger, for the production of man-nanase [5-6]. Materials and methods Enzymatic hydrolysis The substrate for the enzymatic hydrolysis was prepared in 0.05M citrate buffer, pH 5.3, with a concentration of 10% (w /w) of finely ground palm kernel cake. The solution was homogenized at 35000rpm with a MICCRA D-1. The hydrolysis was performed with 0,15% and 1% w/w free and immobilized enzyme respectively. In each trial, a blank assay of substrate and no enzyme was also prepared. The reacti-on was carried out for 30 minutes at 50 ° C with constant stirring 150 rpm. It was evaluated the behavior of the enzymes at different temperatures and pH. The reac-tion was followed for 24 hours, at 50° C with constant stirring 150 rpm, five sam-ples were analyzed during the reaction. The concentration of reducing sugars in

73

the supernatant was determined using the 3,5-dinitrosalicylic acid method. One unit of hydrolytic activity was defined as the amount of enzyme that could produce 1 µmol of reducing sugar (mannose base) for 1 min [7]. Results and discussion Palm kernel cake hydrolysis Palm kernel cake hydrolysis was performance with free enzyme. The reaction pro-gress was followed for 24 hours and it is shown in figure 4. The total sugar release with free enzyme was 68,5 mg/grPKC, which is a 16% of the theoretical carbohydrates content, lower than the release found in different pa-per were the release with free mannanse was 23% of the theoretical carbohydrates content [3]. That can be explained with the PKC concentration, in this work 10%w/w PKC was used compared with 5%w/w of PKC at [3].

Figure 5. Concentration of mannose during hydrolysis assays of 10%w/w PKC with free mannanase. Reaction at 50°C during 24h (♦) Control without enzyme, (■) Free enzyme.

Palm kernel cake hydrolysis were made with free mannanase in order to find opti-mal condition, the effect of the pH and temperature on relative enzyme activity was analyzed. The relative enzyme activity is the relation between the activities at each pH/T with the highest activity at the optimums pH/T. Extremely high or low pH values generally result in complete loss of activity for most enzymes. pH is also a factor in the stability of enzymes. As with activity, for each enzyme there is also a region of pH optimal stability, mannanase is very sta-ble, in extreme pH maintain a high relative enzyme activity (75%), and the opti-mum pH is between 5 and 6. The optimum temperature was 50°C.

74

Conclusions Palm kernel cake is a potential source of energy. The enzymatic hydrolysis provi-des release sugar that can be used for bioethanol production. The optimal conditi-ons for enzyme hydrolysis were found. Acknowledgments Authors want to acknowledge DIMA, Laboratorio de materiales nanoestructurados y funcionales and Laboratorio de física del plasma from Universidad Nacional de Colombia. References 1. Sue, T.T., Quality and Characteristics of Malaysian Palm Kernel Cakes/Expellers. Palm

Oil Developments 2001. 34. 2. Fedepalma, La agroindustria de palma de aceite en Colombia y en el mundo 2006-2010.

Anuario esrtadístico 2011: p. 35-62. 3. Cerveró, J.M., et al., Enzymatic hydrolysis and fermentation of palm kernel press cake for

production of bioethanol. Enzyme and Microbial Technology 2010. 46: p. 177–184. 4. Jorgensen, H., R. Sanadi, and C. Felby, Production of Ethanol and Feed by High Dry

Matter Hydrolysis and Fermentation of Palm Kernel Press Cake. Appl Biochem Biotechnol 2010. 161: p. 318–332.

5. Abdeshahian, P., N. Samat, and A.A. Hamid, Utilization of palm kernel cake for production of b-mannanase by Aspergillus niger FTCC 5003 in solid substrate fermentation using an aerated column bioreactor. J Ind Microbiol Biotechnology, 2010. 37: p. 103-109.

6. Abd-Aziz, S., G.S. hung, and M.A. Hassan, Indirect Method for Quiantificaction of Cell Biomass During Solid-State Fermentation of Palm Kernel Cake Based on Protein Content. Asian Journal of Scientific Research, 2008. 1(4): p. 385-393.

7. Kurakake, M., et al., Production of Galacto-manno-oligosaccharides from Guar Gum by â-Mannanase from Penicillium oxalicum SO. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2006. 54: p. 7885-7889.

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ENZYMATIC HYDROLYSIS OF PALM KERNEL CAKE FOR BIOETHANOL PRODUCTION

Laura V. Zuluaga1 *,Evan Beach2, Carlos E. Orrego3*

1Departamento de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia, Cra 27 #64-60,

Manizales 2 Center for Green Chemistry and Green Engineering, Yale University, New Haven, CT,

USA. 3Instituto de Biotecnología y Agroindustria. Departamento de Física y Química. Universi-

dad Nacional de Colombia, Km. 4 vía al Magdalena, Bloque T, Manizales * ceorregoa@unal.edu.co.

Introduction Enzymes are attractive catalysts with a major drawback: their short lifetimes. Immobilizati-on, or the deliberate restriction of the mobility of the enzyme, may serve two objectives, first to improve enzyme stability and second to facilitate a decrease in enzyme consumption as the enzyme can be retrieved and reused for many repeated cycles of reactions. Immobili-zation processes can be achieved by engineering: either the microenvironment of the en-zyme, as is the case of immobilization by attachment to a carrier (e.g. covalent attachment, hydrophobic and ion exchange adsorption and cross-linking), and immobilization by con-tainment in a barrier (e.g. microencapsulation using lipid vesicles, containment in reversed micelles, entrapment in polymeric matrices, and confinement in ultrafiltration hollow fi-bers); or, alternatively, its macroenvironment (as modification of the reaction medium, which is achieved for example via precipitation in an organic solvent)[1]. Palm kernel cake (PKC) is a fine granular byproduct of the oil extraction of the palm fruit that contains about 50% carbohydrates, mainly galactomannans, which can be hydrol-yzed enzymatically by enzymes such as mannanases. The reducing sugars released can be used as an energy source by various microorganisms for the production of bioethanol [2]. In this paper, chitosan-pectin polyelectrolyte complex and epichlorohydrin cross-linked chitosan were used to prepare magnetic chitosan-mannanase spray dried microspheres and magnetic chitosan-mannanase freeze-dried particles. These immobilized mannanase sys-tems were tested for the enzymatic hydrolysis of PKC. Materials and methods Synthesis of magnetic chitosan-pectin polyelectrolyte complex - Immobilization by Spray Drying Chitosan hydrochloride salt (10 g, containing 1.00 g chitosan and stoichiometric amount of HCl) and saturated NH4HCO3 solutions were mixed and incubated at 20°C for 5 days to obtain chitosan carbamate, Chit-NHCO2

- NH4+. Polygalacturonic

acid (pectin) was dissolved in dilute NH4HCO3 solution. The two solutions were mixed just before spray-drying [3]. A 200 ml of chitosan-pectin dispersion were added 10 ml of FF and was stirred vigorously for 2 h, 25°C. Then, 2 gr of mannan-se were added to the chitosan-pectin- FF aqueous system. Next, it was passed thro-

76

ugh the spray dryer keeping the dried product temperature below 70° C to prevent thermal inactivation of the enzyme. The encapsulated Chito-san/Pectin/FF/Mannanase biocatalyst was coded as CPFFM. The same process was made without enzyme as a blank assay of Chitosan/Pectin/FF and it was coded as CPFF. Synthesis of magnetic epichlorohydrin-cross-linked chitosan- Immobilization by Freeze drying Chitosan with 76% deacetylation degree was dissolved in acetic acid 1% v/v, and then FF solution was added to 5% and mixed. Finally epiclorhydrin (ECH) 0,05 M was added to activate the chitosan and was stirred vigorously for 2 hours, 25°C. Then, 2 gr of mannanse were added to the chitosan-epiclorhydrin- FF aqueous system. After that, gel was dehydrated in a freeze dryer to obtain chitosan-epicholhydrin encapsulated FF (CEFFM). The same process was made without enzyme as a blank assay of Chitosan/Epiclorhydrin/FF and it was coded as CEFF. Results and discussion Magnetic chitosan carriers’ structure At the scanning electron microscope, the microspheres of chito-san/pectin/FF/mannanase (CPFFM) were mostly in the diameter range 1–5 µm, similar size to other magnetic chitosan microspheres prepared by a different met-hod [4]. The particle diameter is important factor for a support material. Smaller particles have larger surface-to-volume ratios and larger capacity to bind more enzymes on their surface, and substrate and product would give less restriction for diffusion [5]. A sulcal pattern is show on the surface of the CPFF microspheres; although smooth surface microspheres is the most common particle characteristic reported for spray dried chitosan and chitosan polyelectrolyte complexes [4, 6-7].

Figure 1. SEM micrographs of chitosan particles used as carriers for enzyme im-mobilization CPFFFM.

EDX

77

Enzyme activity The activity of the enzymes was determinate for free enzyme and both immobilized enzymes, (CPFFM and CEFFM), Results are show in Table 1. Both immobilization process succeed keeping more than 70% of enzyme activity after drying by spray drying (CPFFM) and freeze drying (CEFFM), higher than immobilization process in spray dried beads were the enzyme activity was less than 60% [8]. Immobilizati-on by spray drying tend to show a relatively low activity compared to low tempera-ture methods. In this paper it is prove that immobilized mannanase had a high re-maining activity after spray drying.

Free Enzyme CPFFM CEFFM Activity unit (U) 384,5 296 277,5

Remaining Activity (%) - 76,9 72,1 Table 1. Activity of free and immobilized mannanases

Conclusions In this work it was reported a methodology for the synthesis of coated and chito-san/pectin – chitosan/epichlorhydrin iron oxide magnetic particles (CPFF/CEFF) and immobilized mannanase on both particles (CPFFM/CEFFM) using a spray-drying and freeze-drying technique. Tthe catalytic behavior of the immobilized mannanases was acceptable and more stable a lower pH and temperature as compared with the same characteristics of the free enzyme. Acknowledgments Authors want to acknowledge DIMA, Laboratorio de materiales nanoestructurados y funcionales and Laboratorio de física del plasma from Universidad Nacional de Colombia. References.

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3. Muzzarelli, C., et al., Spray-drying of solutions containing chitosan together with polyuronans and cha-racterisation of the microspheres. Carbohydrate Polymers, 2004. 57(1): p. 73-82.

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7. Podzus, P.E., M.E. Daraio, and S.E. Jacobo, Chitosan magnetic microspheres for technological applica-tions: Preparation and characterization. Physica B, 2009. 404: p. 2710–2712.

8. Chang, M.-Y. and R.-S. Juang, Use of chitosan–clay composite as immobilization support for improved activity and stability of β-glucosidase. Biochemical Engineering Journal, 2007. 35(1): p. 93-98.

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ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE ADECUACIÓN DEL GAS DE GASIFICACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE BIOCARBURANTES DE 2ª GENERACIÓN A PARTIR DE RESIDUOS AGROFORESTA-

LES DE CASTILLA Y LEÓN (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Yolanda Briceño1, Henar Olmedo1 y Sergio Oliva2

1. Fundación CIDAUT, Parque Tecnológico de Boecillo P.209, 47151 Valladolid (España),

yolbri@cidaut.es; marolm@cidaut.es 2. Universidad de Valladolid, sergio.oliva@alumnos.uva.es

Introducción Este proyecto de investigación está enfocado a la búsqueda y desarrollo de nue-

vas soluciones tecnológicas que permitan el desarrollo de los biocarburantes de 2ª generación basado en recursos agroforestales y por tanto sin competencia con la industria alimentaria. Para esto se ha planteado como objetivo principal, el estudio teórico-práctico de los procesos de adecuación del gas de gasificación de residuos agroforestales de Castilla y León orientados a la obtención de biocarburantes de 2ª generación.

Metodología El proyecto se ha desarrollado a través de varias etapas que han comprendido la

investigación sobre los procesos de síntesis de biocarburantes mediante procesos de Fischer-Tropsch, el estudio de las tecnologías de depuración de gas procedente de conversión termoquímica de residuos agroforestales, análisis paramétrico de proce-sos de conversión termoquímica a biocarburantes de 2ª generación, evaluación de la influencia de las propiedades de los residuos en la obtención de biocarburantes de 2ª generación, diseño y construcción del conjunto gasificación-adecuación del gas, experimentación conjunto gasificación-adecuación del gas y análisis de viabi-lidad técnico-económica y ciclo de vida.

Resultados y discusión Se han evaluado los requerimientos técnicos del gas de síntesis para ser utiliza-

do en el proceso de obtención de biocarburantes de 2ª generación mediante Fis-cher-Tropsch. Se han establecido las condiciones que ha de cumplir el gas, com-posición e impurezas y relación H2/CO cercana a 2 (a).

En vista de la composición del gas y de las tecnologías de depuración evalua-das, se plantea un modelo de eliminación de H2S y NH3 basado en el lavado de la corriente gas con agua una vez eliminadas las cenizas y los finos en el ciclón (b)

En el análisis paramétrico de los procesos de conversión termoquímica de resi-duos agroforestales mediante gasificación se han evaluado dos tipos de procesos de gasificación en lecho fijo: downdraft y updraft, estableciendo que la gasificación en lecho fijo downdraft es la más adecuada para la síntesis de biocarburantes en plan-

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tas de pequeña potencia (100 kg/h de biomasa). La relación H2/CO en el gas es más favorable, menor presencia de alquitranes (c), separación de partículas eficaz me-diante procesos físicos y posibilidad de utilizar un amplio rango de tamaño de bio-masa y humedad hasta el 30%.

Tras el modelado del proceso de gasificación en lecho fijo downdraft se ha comprobado que uno de los parámetros que más influyen en la relación H2/CO del gas de gasificación es la humedad de la biomasa. Este parámetro tiene más influen-cia que el tipo de biomasa empleada. La cantidad de carbón eliminado con las ce-nizas también tiene influencia en dicha relación. Se han llevado a cabo ensayos con astilla de pino con diferentes humedades como se muestra en la tabla 1. Los ensa-yos de gasificación se han realizado con un dosado relativo en torno a 3-3.5.

Tabla 1. Variación de la relación H2/CO con astillas de pino con diferentes humedades

Humedad de la biomasa H2 CO Ratio H2/CO 15 % 17,59 18,76 0,94

28 % 17,79 13,79 1,29

29 % 18,20 13,34 1,40

Conclusiones Los residuos con mayor potencial en Castilla y León son los residuos de pino y

sarmiento. Este sistema de eliminación de H2S y NH3 mediante lavado resulta muy intere-

sante para las características del gas de gasificación y la escala del proceso. Como se puede ver en la Figura 1. para humedades superiores al 37% se consi-

gue el objetivo de relación H2/CO cercana a 2, sin embargo el aumento de humedad de la biomasa hace que el sistema consuma más energía, y no sea posible alcanzar dosados de gasificación de 3,5.

%humedad biomasa vs H2/CO gas gasificación

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

15 20 25 30 35 40

% humedad

H2/

CO

Figura 1. Relación H2/CO para diferente humedad de la biomasa de partida .

Este proyecto ha sido realizado gracias a los programas de financiación y el apoyo de la Agen-cia de Desarrollo Económico de la Junta de Castilla y León.

Referencias a. Davis, B.H.; Occelli, M.L. “Fischer-Tropsch Synthesis, Catalyst and Catalysis”.

80

b. H. Boerrigter “Gas Cleaning for Integrated Biomass Gasification (BG) and Fischer-Tropsch (FT) Systems”. Año: 2004

c. IEA Bioenergy Agreement. Task 33: Thermal Gaification of Biomass (2001-2003). Tech-nology Brief. Biomass Gasification to produce Synthesis Gas for Fuel Cells, Liquid Fuels and Chemicals.

81

POTENCIAL DE LA CAÑA BRAVA PARA PRODUCIR COMBUS-

TIBLES GASEOSOS A PARTIR DE GASIFICACION TÉRMICA CON MEZCLAS DE AIRE VAPOR Y N2 COMO GAS DE TRAS-

PORTE Gerardo Gordillo1, Jorge Alberto Aponte2

1Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.571-3394949

Ext. 1716. E-mail: g.gordillo43@uniandes.edu.co 2Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. 571-3394949

Ext. 1716. E-mail: ja.aponte 913@uniandes.edu.co

Resumen Varias tecnologías energéticas alternativas han sido propuestas como solu-ción al negativo impacto ambiental causado por las emisiones de efecto in-vernadero, que se generan en los procesos de combustion de los combusti-bles fosiles. Una de estas tecnologías es el uso de biomasa (cultivos energé-ticos o residuos agrícolas y municipales) como materia prima para producir combustibles gaseosos o líquidos a travéz de procesos de gasificación térmica. La inclusión de biomasa en procesos de gasificación térmica no incrementa la concentración ambiental de gases de efecto invernadero, debi-do a que esta es un recurso energético neutro en carbón. La cañabrava es uno de los cultivos regenerativos que produce mas biomass por hectárea cultivada, y puede cultivarce en una amplia variedad de tipos de suelo y condiciones climaticas. Sin embargo, en Colombia, a pesar de que se produ-ce como maleza, en la mayoria de la geografia Colombiana, no tiene un uso extensivo. Debido, a su gran producción de biomasa por hectárea y a su carácter regenerativo la cañabrava presenta caracteristicas muy promisorias como materia prima para producir combustibles gaseosos o líquidos (en sitio), que contribuirian a suplir parte de la demanda energética del país. En el presente artículo se presentan resultados sobre las propiedades térmicas de la cañabrava y su potencial como materia prima para producir combusti-bles gaseosos a partir de procesos de gasificación térmica, usando mezclas de aire-vapor como agente oxidante. Con el programa CEA de equilibrio químico de la NASA, se estimó el efecto de la relación de equivalencia (Φ) y de la relación de vapor-combustible (S: F) sobre la temperatura, la compo-sición y densidad energética de los combustibles gaseosos producidos y la efeciencia de conversión. Adicionalmente, un análisis termogravimétrico fue efectuado para estimar la energía de activación y la constante cinética de

82

la pirolisis. En general, los resultados mostraron que al incrementar la Φ y la S: F se disminuye la temperatura y la producción de CO, pero se aumenta la producción de H2 y CO2. La producción de CH4 fue unicamente posible para Φ > 4 y aumenta con incrementos en al relacion de equivalencia. El valor de la energía de activación fue del orden de 145 KJ/Kmol. Palabras claves: Cañabrava, gasificación, pirolisis, biomasa, energía de activación

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EVALUATION OF THE SECOND GENERATION BIOETHANOL PRODUCTION PROCESS FROM LIGNOCELLULOSIC RESIDUES USING EXERGETIC ANALYSIS AND PROCESS INTEGRATION

METHODOLOGIES

(Biocombustibles a partir de material lignocelulósico) X. I. Pereira Hernández1, J. D. Albarracín Caballero1, K. Ojeda2, V. Kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en

Industria y Energía, Cra 27 Calle 9, vruatsa@hotmail.com 2. Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena, Calle Real de Ternera No 30-966,

kaojeda@gmail.com

Introduction Bioethanol industry has been developing rapidly throughout the last years to

deal with the depletion of fossil fuels and the environmental pollution derived from their combustion [1,2]. However, in some countries, the use of edible starch (e.g. corn) for bioethanol production has generated a strong discussion regarding the effect of this biofuel on food supply [3]. Due to the reasons named above, lignocel-lulosic materials represent a great alternative as raw material for the production of bioethanol since they are not used in the food industry.

The aim of this work was to evaluate two technological alternatives for the second generation bioethanol production process from sugarcane bagasse using exergetic analysis and process integration methodologies. This was made in order to identify enhancements to this process.

Simulation Two paths were simulated using Aspen Plus 2006.5 software, the first one was

comprised by pretreatment with Liquid Hot Water (LHW), simultaneous sacchari-fication and fermentation (SSF) and extractive distillation; the second one com-prised by pretreatment with vapour explosion catalysed with acid, simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF) and distillation using molecular sieves.

Results and discussion Ethanol production, process efficiency and energy requirements for each route,

using the same amount of raw material, can be observed in table 1. It is noticeable that Route 2 shows a more efficient and less energetically demanding way to pro-duce bioethanol from sugarcane bagasse.

The energetic integration carried out using Aspen HX-Net 2006.5 software re-ported a heating service reduction close to 89% and a cooling service reduction of

84

15.5%, for the first path, whilst the second one exhibited a heating service reduc-tion near 95% and a cooling service reduction of 11.7%.

Finally, the second path generated less irreversible losses compared with the first one, the former produced irreversibilities equal to 69.94 MJ/kg ethanol and the latter 91.56 MJ/kg ethanol.

The main reasons why this results were obtained are the low energetic demand inherent to the distillation technology chosen for Route 2 and its superior efficiency per stage (pretreatment, hydrolysis/fermentation and distillation). Also the trans-formation of glucose not only occurs in the stage of hydrolysis but also in the pre-treatment.

Conclusion The overall results led to conclude that the second path represents a better bio-

ethanol production pathway since it required less energy, produced more bioetha-nol and generated less irreversibilities compared with the first path.

Acknowledgements The authors appreciate the cooperation given by the Department of Administrative Sci-

ence, Technology and Innovation (Colciencias) on the development of a bigger project in which this work was involved.

References 1. Quintero, J.A. et al. Fuel ethanol production from sugarcane and corn: Comparative analysis

for a Colombian case. Energy 2008;33:385-99. 2. Limayem A, Ricke S.C. Lignocellulosic biomass for bioethanol production: Current perspec-

tives, potential issues and future prospects. Progress in Energy and Combustion Science 2012, doi:10.1016/j.pecs.2012.03.002.

3. Goh, C.S., et al. Bio-ethanol from lignocellulose: Status, perspectives and challenges in Ma-laysia. Bioresource. Technology 2010;101:4834–41

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CAÑA DE AZÚCAR EN LA ALTILLANURA COLOMBIANA: ROL DE LA I&D AGRÍCOLA

Sostenibilidad de biocombustibles Arturo González1, Jesús H Galvis1 José H Rosa1 y Edgar F Castillo2

1. Departamento de I&D BIOENERGY S.A 2. Instituto Colombiano del petróleo

Introducción

El potencial agroindustrial de la Altillanura Colombiana es ampliamente reco-nocido en la actualidad. Son 13,8 millones de hectáreas localizadas entre los depar-tamentos de Meta y Vichada de las cuales 4,5 millones aprox. pueden ser cultiva-das para producción de alimentos y de agro-energía. Entre los principales retos para el desarrollo agroindustrial de la Altillanura se pueden citar: (1) la transforma-ción productiva de suelos ácidos, (2) el cuidado del medio ambiente y (3) la garant-ía de participación de pequeños y medianos productores. Es en esta región donde BIOENERGY S.A, filial de biocombustibles de ECOPETROL, desarrolla el pro-yecto de producción de etanol de caña de azúcar más grande del país con una pro-ductividad mínima estimada de 480.000 L/día. El presente trabajo muestra las ini-ciativas en Investigación y Desarrollo (I&D) agrícola que realiza BIOENERGY S.A a fin de apalancar la productividad y la sostenibilidad del proyecto. Discusión

BIOENERGY S.A cuenta con un área sembrada con caña de azúcar superior a las 2.500 hectáreas que finalmente alcanzarán 14.400 hectáreas a 2014. Se prevé que la demanda mínima de materia prima del complejo industrial será de 6.800 toneladas por día operando en régimen continuo. Las iniciativas de I&D de la com-pañía se resumen en dos frentes principales interrelacionados: Capa Arable Produc-tiva (C.A.P) y Evaluación Agronómica de Variedades (E.A.V) de caña de azúcar. Los suelos de la Altillanura Colombiana han sido estudiados por un amplio grupo de investigadores quienes los describen como poco fértiles y muy propensos a la erosión y a la degradación estructural. Entre sus limitaciones químicas se pueden citar el pH bajo < 5,0, alta saturación de aluminio > 80%, baja capacidad de inter-cambio catiónico, bajo contenido de calcio y magnesio, alta retención de fósforo, bajo contenido de materia orgánica y en general baja contenido de nutrientes. A nivel físico las mayores limitaciones se presentan en el alto sellamiento superficial, alto grado de compactación y adensamiento natural, alta densidad aparente, baja capacidad de infiltración de agua, baja cantidad de macro y meso poros, baja reten-ción de agua aprovechable y la baja estabilidad estructural. A las limitaciones ante-riores se suma la pobre presencia de macro, meso y microfauna en el suelo y las diferentes respuestas al manejo especialmente en función de la textura. Las investi-gaciones realizadas en la Altillanura en los últimos 40 años transitaron entre la búsqueda de alternativas forrajeras para el desarrollo ganadero, la definición y va-lidación de indicadores para cuantificar “la salud” del suelo hasta el establecimien-

86

to de los fundamentos y la metodología para la construcción de una “Capa Arable Productiva” o C.A.P.

La C.A.P fue definida como “aquella capa superficial del suelo productiva que el hombre puede modificar a través de un manejo racional para lograr un suelo sin limitaciones físicas, químicas ni biológicas, productivo, sostenible para establecer un sistema de producción agrícola, económica y ambientalmente sostenible”. El proceso de formación de la C.A.P requiere de una estrategia de manejo que corrija las limitantes específicas determinadas de acuerdo al sistema de producción a im-plantar. El acondicionamiento y sostenimiento de la C.A.P impacta fuertemente la sostenibilidad del proyecto en el mediano y largo plazo por lo que fue definido cómo uno de las iniciativas principales de I&D.

Por otro lado, las variedades de caña de azúcar se comportan de manera diferen-te en distintas condiciones de suelo, clima y manejo agronómico. Hasta el momen-to, en la literatura no se reportan evaluaciones agronómicas de variedades de caña en las condiciones de la Altillanura aunque tanto BIOENERGY S.A como RIO PAILA CASTILLA tienen plantaciones de más de dos años en la región. La E.A.V realizada por BIOENERGY S.A durante las vigencias 2010 y 2011 se resumió en un catálogo con 15 variedades con información de comportamiento en plantilla (primer año). Dicho catálogo está siendo actualizado con información sobre el comportamiento observado en primera soca así como en siembra semicomercial.

La Figura 1 muestra un esquema de las iniciativas de I&D así como de la infra-estructura de laboratorios de la compañía. Aparte de las líneas específicas de inves-tigación, se desarrollan algunas líneas de tipo transversal principalmente enfocadas hacia la sostenibilidad ambiental del proyecto. Cabe recordar que las inversiones en I&D realizadas durante la vigencia 2011 fueron certificadas por COLCIENCIAS como “Desarrollo Tecnológico” por un valor superior a los $ 2.900.000,00.

Figura 1. Esquema de la I&D agrícola de BIOENERGY S.A

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EVALUATION OF THE SECOND GENERATION BIOETHANOL PRODUCTION PROCESS FROM LIGNOCELLULOSIC RESIDUES USING EXERGETIC ANALYSIS AND PROCESS INTEGRATION

METHODOLOGIES

(Biocombustibles a partir de material lignocelulósico) X. I. Pereira Hernández1, J. D. Albarracín Caballero1, K. Ojeda2, V. Kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en

Industria y Energía, Cra 27 Calle 9, vruatsa@hotmail.com 2. Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena, Calle Real de Ternera No 30-966,

kaojeda@gmail.com

Introduction Bioethanol industry has been developing rapidly throughout the last years to

deal with the depletion of fossil fuels and the environmental pollution derived from their combustion [1,2]. However, in some countries, the use of edible starch (e.g. corn) for bioethanol production has generated a strong discussion regarding the effect of this biofuel on food supply [3]. Due to the reasons named above, lignocel-lulosic materials represent a great alternative as raw material for the production of bioethanol since they are not used in the food industry.

The aim of this work was to evaluate two technological alternatives for the second generation bioethanol production process from sugarcane bagasse using exergetic analysis and process integration methodologies. This was made in order to identify enhancements to this process.

Simulation Two paths were simulated using Aspen Plus 2006.5 software, the first one was

comprised by pretreatment with Liquid Hot Water (LHW), simultaneous sacchari-fication and fermentation (SSF) and extractive distillation; the second one com-prised by pretreatment with vapour explosion catalysed with acid, simultaneous saccharification and co-fermentation (SSCF) and distillation using molecular sieves.

Results and discussion Ethanol production, process efficiency and energy requirements for each route,

using the same amount of raw material, can be observed in table 1. It is noticeable that Route 2 shows a more efficient and less energetically demanding way to pro-duce bioethanol from sugarcane bagasse.

The energetic integration carried out using Aspen HX-Net 2006.5 software re-ported a heating service reduction close to 89% and a cooling service reduction of

88

15.5%, for the first path, whilst the second one exhibited a heating service reduc-tion near 95% and a cooling service reduction of 11.7%.

Finally, the second path generated less irreversible losses compared with the first one, the former produced irreversibilities equal to 69.94 MJ/kg ethanol and the latter 91.56 MJ/kg ethanol.

The main reasons why this results were obtained are the low energetic demand inherent to the distillation technology chosen for Route 2 and its superior efficiency per stage (pretreatment, hydrolysis/fermentation and distillation). Also the trans-formation of glucose not only occurs in the stage of hydrolysis but also in the pre-treatment.

Conclusion The overall results led to conclude that the second path represents a better bio-

ethanol production pathway since it required less energy, produced more bioetha-nol and generated less irreversibilities compared with the first path.

Acknowledgements The authors appreciate the cooperation given by the Department of Administrative Sci-

ence, Technology and Innovation (Colciencias) on the development of a bigger project in which this work was involved.

References 1. Quintero, J.A. et al. Fuel ethanol production from sugarcane and corn: Comparative analysis

for a Colombian case. Energy 2008;33:385-99. 2. Limayem A, Ricke S.C. Lignocellulosic biomass for bioethanol production: Current perspec-

tives, potential issues and future prospects. Progress in Energy and Combustion Science 2012, doi:10.1016/j.pecs.2012.03.002.

3. Goh, C.S., et al. Bio-ethanol from lignocellulose: Status, perspectives and challenges in Ma-laysia. Bioresource. Technology 2010;101:4834–41

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ALTERNATIVAS DE PRETRATAMIENTO A BIOMASA LIGNOCELULÓSICA PARA PRODUCCIÓN

DE ETANOL VÍA BIOQUÍMICA (Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Neila Mantilla1, Laura Garzón2, Edgar Castillo2 y Viatcheslav kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, grupo de investigación, Carrera 27 Calle 9 y neilamanti-lla@gmail.com

2. Instituto Colombiano del petrolero ICP, Km 7 Vía a piedecuesta. Introducción

La conversión bioquímica de materiales lignocelulósicos a través de las etapas de pretratamiento, sacarificación y fermentación es la principal ruta para la produc-ción de etanol a partir de biomasa. El pretratamiento ha sido visto como una de las etapas más costosas dentro de la conversión de biomasa a azúcares fermentables. Tener costos efectivos en esta etapa es un gran desafío para la investigación y el desarrollo de esta tecnología, donde el pretratamiento ideal sería aquel que evitara la destrucción de la hemicelulosa y celulosa, evitara la formación de inhibidores para etapas posteriores, minimizara la demanda de energía, redujera costos en re-ducción de tamaño de partícula, redujera costos de material de construcción de reactores de pretratamiento, produjera menos residuos y tuviera poco o nulos cos-tos de reactivos. El pretratamiento es crucial para asegurar buenos rendimientos finales de azúcares.

Los métodos de pretratamiento pueden ser químicos, físicos o biológicos. Algu-

nos métodos incorporan varios efectos (a).

RESIDUO LIGNOCELULÓSICO

Físicos Físico - químico Físicos Químico Biológico

Mecánico: • Molienda • Fresado • Astillado Reducción de talla • 0,2 - 2 mm ( Molienda) • 10 - 30 mm (Astillado)

Hidrotérmico • Agua Líquidacaliente • Vapor (Explosión)

Con Químicos • H 2 SO 4 • AFEX

Ácido • Diluido • Concentrado Alkali • NaOH • Cal Agentesoxidantes • H 2 O 2 • Oxidación húmeda • Ozonólisis

Hongos • Cafés • Bancos • Hongos de pudrición blanda Ejemplos • Pleurotus ostreatus • Aspergillus niger • Aspergillus awamori

Incrementa en: • Área superficial específica • Tamaño de poros Decremento en: • Grado de polimerización • Cristalinidad

Incrementa en: • Área superficial específica • Tamaño de poros

Degradaciónparcial de lahemicelulosa

Transformación de la lignina

Incrementa en: • Área interna superficial, debido a la hinchazón Decrece en: • Grado de polimerización • Cristalinidad Degradación de la hemicelulosa Remoción de lignina

Incrementa en: • Área superficial específica • Tamaño de poros

Degradación de: • Hemicelulosa • Lignina

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Figura 1. Métodos de pretratamientos más comunes y sus posibles efectos (b). Pretratamientos como ácido sulfúrico diluido, presentan altos rendimientos de

pentosas y hexosas con altas velocidades de sacarificación, siendo un pretratamien-to muy eficiente, pero hay inconvenientes con respecto a la corrosión y a la costosa recirculación del ácido sulfúrico (c). Un pretratamiento que se ha estudiado am-pliamente y el cual ya utilizan varias compañías en escala piloto-industrial, es el pretratamiento con explosión a vapor, el cual dispone las fibras para la hidrólisis enzimática, no presenta costos ambientales pero genera componentes inhibidores para la fermentación y no hay buena decristalinización de la celulosa (d). El pretra-tamiento con agua líquida caliente, resulta ser muy efectivo con el medio ambiente, no genera inhibidores para posteriores etapas, pero la tecnología es aun inmadura (e).

Las alternativas de pretratamiento que se han trabajado en su mayoría son eta-pas batch, las cuales implican costos adicionales en cuanto a energía, espacio y personal, así como, no se obtiene uniformidad en la producción y por lo tanto la calidad es variable.

Últimamente, se han estudiado pretratamientos continuos, llevados a cabo en extrusoras y reactores con tornillos auger, los cuales involucran variables como presión, temperatura, conminución mecánica y ataque químico. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable NREL, tiene dos sistemas de reactores operados en continuo, uno horizontal y otro vertical, los cuales son su tecnología de punta y la empresa Bluefire Ethanol ya los utiliza a escala comercial.

Conclusiones Hay amplios estudios en la etapa de pretratamiento para producción de etanol

vía bioquímica, pero aún se requiere profundizar en los efectos y procesos que involucran para avanzar en el desarrollo de esta tecnología.

Referencias a. Pretreatment of lignocellulosic biomass. McMillan, J.D. Enzymatic Conversion of Biomass for

Fuels Production, ACS Symposium Series : Himmel, M. E., Baker, J.O., Overend, R.P., 1944, Vols. 566(1944) pp. 292–324

b. Production of bioethanol from wheat straw: An overview on pretreatment, hydrolysis and fer-mentation. Farid Talebniaa, Dimitar Karakasheva and Irini Angelidaki. Bioresource Technology : s.n., Vols. 101(13)(2010), pp. 4744-4753. ISSN: 09608524.

c. Influence of solid loading on enzymatic hydrolysis of steam exploded or liquid hot water pre-treated olive tree biomass. Cristóbal Cara, Manuel Moya, Ignacio Ballestero, Ma José Negro, Alberto González and Encarnación Ruiza,.Process Biochemistry : 42(6)(2007), pp. 1003-1009. ISSN: 1359-5113.

d, Bioconversion of forest products industry waste cellulosics to fuel ethanol: A review. Heldon J. B. Duff, and William D. Murray. Bioresource Technology : 55(1)(1995), pp.1-33. ISSN: 09608524.

e. Hydrothermal degradation of polymers derived from plants. Bobleter, Ortwin. Progress in Pol-ymer Science : 19(5)(1994), pp.797-841. ISSN: 0079-6700.

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ANALISIS QUIMICO DE FRACCIONES DE BIO-OIL PRODUCIDO A PARTIR DE PIROLISIS RÁPIDA DE RAQUIS DE PALMA AFRI-

CANA Biocombustibles a partir de Material Lignocelulósico

María Paola Gauthier-Maradei*, Ana María Corredor Alfonso, Humberto

Escalante CEIAM, Universidad Industrial de Santander

*mapaomar@uis.edu.co Introducción La demanda creciente de energía obtenida a partir de combustibles fósiles, ha incrementado en el planeta la acumulación de gases a efecto invernadero. A nivel mundial las investigaciones se han direccionado hacía la búsqueda de recursos energéticos de fuentes renovables que minimicen las emisiones de gases nocivos al medio ambiente y la independencia energética. La producción de bio-oil a partir de residuos agrícolas lignocelulósicos permite la valoración económica de material de desecho y brinda una alternativa energética. El bio-oil es el producto resultante de la rápida descomposición térmica de un residuo en atmósfera inerte [ZANZI96, ZANZI02, ONAY07, WIGGERS09]. Este proceso permite obtener un producto con alto poder calorífico, de fácil almacenamiento y transporte. La alternativa de utilizar una biomasa residual par la producción de bio-oil no compite con fuentes alimenticias y proporciona la posibilidad de utilizar el producto como combustible en mezcla con cortes de petróleo [MOHAN06]. El bio-oil está compuesto de agua, componentes orgánicos y polares; distinguién-dose principalmente, aromáticos, parafinas de alto número de carbonos, ácidos orgánicos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas [GARCIA07]. Debido a la no miscibilidad de muchos de estos compuestos entre ellos, el bio-oil se fracciona en dos fases que llegan a ser observables fácilmente después de un tiempo de almace-namiento [ERTAS10, UZUN10]. La utilización de un bio-oil, como fuente energética, conlleva a conocer de forma completa su composición; lo cual involucra realizar una caracterización completa del producto. Diferentes investigaciones, resaltan la necesidad de hacer un análisis de alquitranes una vez estos son condensados a la salida del reactor por medio de un sistema de enfriamiento a temperaturas bajo cero. García et al. [GARCIA02] analiza los gases no condensables por simple cromatografía en línea y los conden-sables son tratados en un roto-evaporador para remover los compuestos ligeros y el agua, y producir bio-oil (residuo de la evaporación). Una vez el bio-oil es obtenido se separa en fracciones, [SUB KU06], las cuales son analizadas utilizando un GC-SM. Sin embargo, en un estudio más completo de un bio-oil es viable analizar me-diante HPLC la fracción soluble en metanol y los insolubles en metano y éter por FT-IR (Sub Ku et. al.). Otros trabajos sobre pirólisis muestran la dificultad del

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análisis de los productos, es el caso de Guo et al. [GUO09] quienes realizan una destilación molecular para dividir el alquitrán producido en varias fracciones anali-zadas por GC-SM. El presente trabajo describe el estudio experimental realizado para la determinación de un protocolo de caracterización de bio-oil generado a partir de muestras de raquis de palma africana presente en Colombia mediante su fraccionamiento inicial por extracción líquido-líquido seguido de un subfraccio-namiento en cortes de diferentes polaridades por cromatografía líquida extractiva acoplada a cromatografía de capa fina(CCF). Las subfracciones así obtenidas fue-ron finalmente analizadas por cromatografía CG/MS. Materiales y métodos Las muestras de bio-oil (aproximadamente 4g) proveniente de pirólisis rápida de raquis de palma fueron inicialmente centrifugadas para obtener dos fases: una den-sa y una ligera. Las fases fueron fraccionadas por medio de extracción líquido-líquido con n-hexano al 99,6% pureza en agitación fuerte. Posteriormente, se eli-minó el solvente de la fracción soluble en n-hexano, mediante extracción en un rotoevaporar. Después de obtener la muestra concentrada de bio-oil, y con el fin de identificar los solventes apropiados para su extracción y posterior identificación de sus componentes, se realizaron pruebas preliminares mediante la técnica de croma-tografía de placa fina. Utilizando placas de aluminio (marca Merck) donde la fase estacionaria fue la sílica gel, se evaluaron como solventes el n-hexano, el tolueno, diclorometano, el etil acetato y el metanol. Se utilizó tanto los solventes puros como en mezcla teniendo en cuenta sus polaridades y buscando una separación adecuada de los compuestos del bio-oil en las placas. La revelación de estas se efectuó con una lámpara UV (longitud de onda de 254nm). El vapor de yodo tam-bién fue utilizado para permitir la visualización de compuestos que no pueden ser detectados en luz UV. La separación de los componentes del bio-oil se realizó me-diante cromatografía líquida extractiva, utilizando los solventes identificados en la etapa anterior. Las pruebas fueron realizadas en una columna de 2cm de diámetro y 16cm de alto, la cual fue empacada con sílica gel activada durante 2 horas en un horno a 120°C, arena y lana de vidrio. Las subfracciones obtenidas fueron analiza-das por GC/MS (columna HP-5MS). El esquema general del procedimiento de fraccionamiento de bio-oil se presenta a continuación:

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Resultados y discusión Con la centrifugación, se logró la separación de dos fases: ligera y densa (90,3%p y 9,7%p, respectivamente). Posteriormente, se realizó una extracción líquido-líquido con n-hexano a fase densa obteniéndose un porcentaje de fracción soluble de 31%p. Seguidamente se realizó análisis por TLC, donde se logró la mejor separa-ción de compuestos aplicando una mezcla diclorometano – tolueno con proporción en peso de 1:4. La elución de la fracción soluble en n-hexano de la fase densa se realizó utilizando las proporciones de los solventes obtenidas inicialmente por TLC. La separación completa en subfracciones se consiguió utilizando 250 y 30 mL de solución diclorometano - tolueno y de metanol, respectivamente. Finalmente las subfracciones de la fracción soluble de la fase densa fueron analiza-das por cromatografía GC/MS; se encontraron proporciones diferentes de hidrocar-buros cíclicos y alcanos, principalmente. Igualmente, la fase ligera se sometió a extracción líquido-líquido obteniéndose 86,15%p de fracción soluble en n-hexano. Un análisis preliminar en GC/MS, sin fraccionamiento por cromatografía extractiva mostró compuestos oxigenados, principalmente y alcanos en menor proporción. Las pruebas realizadas con vapor de yodo no reportaron diferencias a lo visualiza-do con la lámpara U.V. Conclusiones El bio-oil está compuesto mayoritariamente de compuestos oxigenados concentra-dos la mayor parte en la fracción soluble en hexano de la fase ligera, encontrándose cetonas, fenoles y aldehídos. Por otra parte, el estudio muestra que la fase densa

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obtenida después de centrifugación está compuesta principalmente de compuestos hidrocarbonados solubles en hexano como son alifáticos, cíclicos, insaturados y aromáticos. El método de extracción usado varía de acuerdo a otros trabajos ya realizados que fueron revisados en la literatura, aún así los resultados de la compo-sición en el fraccionamiento de bio-oil presentaron concordancia con lo consultado. TABLA. COMPUESTOS ENCONTRADOS EN FRACCIONAMIENTO DE BIO-OIL

Fase Densa Fase ligera Compuestos Ext. D-T Metanol

1-Metil-2-metilene ciclohexano x x Etil ciclohexano 1,1,3-ciclohexano x Etilbenceno x x Ácido-1,2-Bencenedicarboxílico x x Dodecano x x x Pentadecano x x x Hexadecano x x x Etilciclohepteno x 1,4-Dimetilbenceno x Decano x Undecano x Heptadecano x x Octadecano x 2-Metilpentano x 3-Metilpentano x ciclopentano x 3-Metilhexano x Heptano x octano x 2-furanmetanol x 2-metil-2-ciclopenteno-1-ona x 1-(2-furanil)-etanona x 2-furancarboxaldehído x Fenol x 2-hidroxi-2-ciclopenteno-1-ona x 2,3-dimetil-2-ciclopenteno-1-ona x 2-metil-fenol x 3-metil-fenol x 2-metoxifenol x 2-ciclopenteno-1-ona x 2,4-dimetil-fenol x 1-hidroxi-2-metoxi-4-metilbenzeno x 2-metoxi-benceneetanol x 3-etil-fenol x 4-etil-fenol x 2,6-dimetoxi-fenol x Tetradecano x 2-metoxi-4-(1-propenil)-fenol x 2,6-dimetoxi-4-(2-propenil)-fenol x Octacosano x

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Tricosano x Tetracosano x 8-hexil-pentadecano x Nonadecano x Eicosano x

Referencias [ERTAS10] Ertaş Murat and M: Hakki Alma. J. Anal. Appl. Pyrolysis, 88, 22 – 29 (2010) [GARCIA02] Manuel Garcia-Pérez, Adbelkader Chaala and Christian Roy. J. Anal. App. Pyrol-

ysis, 65, 111 – 136 (2002) [GARCIA06] M. Garcia-Pérez, A: Chaala, H. Pakdel et al. Energy & Fuels, 20, 364 – 375 (2006) [GARCIA07] M. Garcia-Pérez, A: Chaala, H. Pakdel et al. Biomass and Bioenergy, 31, 222 –

242 (2007) [MOHAN07] Dinesh Mohan, Charles Pittman Jr. and Philip Steele. Energy & Fuels, 20, 848 –

889 (2006) [ONAY07] Ozlem Onay. Fuel Processing Technology, 88, 523 – 531 (2007) [SUB KU06] Chang Sub Ku and Sung Phil Mun. J. Ind. Eng. Chem., 12(6),853 – 861 (2006) [UZUN10] Başak Burcu Uzun, Esin Apaydin-Varol, Funda Ateş et al. Fuel, 89, 176 – 184 (2010) [WIGGERS09] V.R. Wiggers, H. F. Meier, A. Wisniewski Jr. et al. Bioresource Technology, 100,

6570 – 6577 (2009) [GUO10] Xiujuan Guo, Shurong Wang, Zuogang Guo et al. Applied Energy, Volume 87(9)

2892 – 2898 (2010) [ZANZI96] Rolando Zanzi, Krister Sjôström, Emilia Björnbom. Fuel, 75(5), 545 – 550 (1996) [ZANZI02] Rolando Zanzi, Krister Sjôström, Emilia Björnbom. Biomass and Bioenergy, 23,

357 – 366 (2002)

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APROVECHAMIENTO DE LAS TIERRAS DE BLANQUEO DE LA INDUSTRIA DE ACEITES COMESTIBLES PARA LA OBTENCIÓN

DE BIODIESEL USANDO ALCOHOL EN CONDICIONES SU-PERCRÍTICAS

(Biocombustibles a partir de material oleaginoso)

Paola Buitrago1, Juan Cruz1 y Javier Dávila1*

1. Universidad de los Andes, grupo de investigación de Diseño de Productos y Procesos, Departamen-to de Ingeniería Química, * mail: ja.davila1982@uniandes.edu.co

Introducción El proceso de blanqueamiento en las industrias de aceites comestibles se lleva a cabo usando tierras de blanqueo, las cuales retiran jabones, metales colorantes, entre otras sustancias y mejora el color y el sabor del aceite [1], pero al terminar el proceso, estas tierras llevan consigo un contenido de aceite entre el 30 y 40% en volumen y no es fácil recuperarlo. En este trabajo se aprovecha el contenido de aceites vegetal atrapado en las tierras de blanqueo de la empresa TEAM, las cuales contenían un 35% en volumen de aceite atrapado. La reacción de transesterifica-ción para producción de biodiesel se llevo a cabo en condiciones supercríticas para el alcohol (etanol y metanol) utilizado y sin el uso de catalizador. Materiales y Métodos Se planteo un diseño factorial 23 y se uso como variables independientes la tempe-ratura de reacción entre 280 y 300 °C, tiempo de reacción entre 0 y 3 minutos (el tiempo de reacción de 0 minutos corresponde solo al tiempo consumido en calen-tamiento y enfriamiento sin permitir que la temperatura permanezca en algún valor en especifico) y razón de tierras de blanqueo a alcohol entre 0.5 y 1 gr./ml, se uso un reactor de alta presión Parr Instrument Company model 4570 el cual alcanza 500 °C y 5000 psi de presión. Para las tierras de blanqueo remanentes después del proceso de reacción se realizaron medidas en el microscopio electrónico de barrido JSM-6490LV con cuatro detectores acoplados y técnica de recubrimiento de oro para esta-blecer la composición química de las tierras de blanqueo. Para la fase liquida e identificar la producción de biodiesel se uso Espectroscopia de Infrarrojo Cercano NIRSystems. Inc. Rapid Resin AnalyzerTM desde 1100 a 2500 nm. Resultados y Discusión Los resultados de la fase liquida con la Espectroscopia de Infrarrojo cercano reve-laron que efectivamente se produce biodiesel, una de las mejores condiciones para la obtención de biodiesel fue el punto realizado con etanol a 300 °C, razón de tie-rras de blanqueo a alcohol de 1 y un tiempo de reacción de 0 minutos, este tiempo significa que solo se permito llevar a cabo la reacción en el tiempo de calentamien-

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Referencias

[1] Sarikaya Yuksel. Tierras de blanqueo y blanqueo de aceites vegetales. Refinación de aceites vegetales. Libro de Oro A.G. Tomo II (2000) 150 - 153Referencia de ejemplo. [2] Dorado M. Pilar, Pinzi Sara, De Haro Antonio, Font Rafael, Garcia Olmo Juan. Visible and NIR Spectroscopy to assess biodiesel quality: Determination of alcohol and glycerol traces. Fuel 90 (2011) 2321 – 2325.

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to y enfriamiento del reactor. La figura 1 muestra los resultados de una Espectros-copia de Infrarrojo cercano para la mejor muestra y un biodiesel comercial, demos-trando la presencia de biodiesel, las desviaciones de los espectros con referencia al biodiesel comercial se deben a la presencia de alcohol y algo de glicerol entre 1900 y 2200 nm., tal y como se reporta en la literatura [2].

Figura 1. Espectroscopia de Infrarrojo cercano para la mejor muestra y un biodiesel comercial.

La figura 2 muestra los resultados del microscopio electrónico de barrido para la tierra remanente, en la cual se puede observar un gran porcentaje carbono y oxige-no y la formación de óxidos de Aluminio, silicio y magnesio.

Figura 2. Distribución de elementos en las tierras de blanqueo después de la reacción en condiciones

supercríticas. Conclusiones Las tierras de blanqueo pueden ser usadas para la obtención de biodiesel en condi-ciones supercríticas sin el uso de catalizadores. El uso de un alcohol en condiciones supercríticas es una alternativa para el aprove-chamiento del aceite atrapado en las tierras de blanqueo y ayudar a darle un valor agregado a este desecho industrial. Agradecimientos: Los autores agradecen al grupo TEAM por suplir las muestras necesarias de tie-rras de blanqueo, al Ingeniero Gustavo Duarte de TEAM por la información suministrada respecto al proceso y a BioD S.A. pos su colaboración en las muestras de biodiesel comercial.

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ALTERNATIVAS DE APROVECHAMIENTO DE LA GLICERINA CRUDA GENERADA EN LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL

(Biocombustibles y co-productos a partir de plantas oleaginosas)

Hernández, Jorge A.1, Acevedo, Juan C.2, Valdés, Carlos F.3.

1. Universidad de Santander Sede Cúcuta, Eureka Udes, Av 4 Esquina Calle 10N Urb. El Bosque, jahm_32@hotmail.com

2. Universidad de Santander Sede Cúcuta, Eureka Udes, Av 4 Esquina Calle 10N Urb. El Bosque, ing.juancamilo07@gmail.com

3. Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, TAYEA, Facultad de Minas, Cra. 80. No. 65 – 223 M5., cfvaldes@unal.edu.co

Introducción Como resultado del creciente mercado del biodiesel, se ha producido un aumento inevitable en la oferta de glicerina obtenida como subproducto del biodiesel, debi-do a que en general, ésta no cumple el estándar mínimo de calidad para su aprove-chamiento directo y el costo de refinación al grado USP conduce a un producto poco viable económicamente por razones comerciales. La demanda de glicerina para las aplicaciones tradicionales no aumenta de la misma forma. De este modo se ha producido un exceso en la oferta de glicerina en el mercado que provoca la dis-minución de su valor de venta. En tal sentido, como se verá más adelante, la pro-blemática actual se enfoca en el desarrollo de nuevas alternativas de uso, que, de ser implementadas, permitan la utilización de la glicerina de baja calidad y por lo tanto el cierre de ciclos productivos. Con un abundante suministro barato de la glicerina sin refinar en el mercado, los investigadores deben encontrar nuevos usos. Sin embargo, la selección e imple-mentación cualquiera de esas alternativas requiere de un estudio global que permita concluir sobre la viabilidad de la misma. Por ello, esta investigación ha realizado un análisis DAFO, de tal forma que se puedan evidenciar el grado de pertinencia de cada una de las alternativas hasta ahora estudiadas, un análisis de costos y ambien-tal, desde los postulados de la QUÍMICA VERDE, para la identificación de solu-ciones más viables ante la alta oferta de posibles respuestas al problema de investi-gación. Materiales y métodos En virtud de la amplia oferta de alternativas de aprovechamiento de la glicerina producida en la industria del biodiesel, se ha requerido la realización de una amplia y detallada revisión bibliográfica, un proceso de costeo de cada una de las alterna-tivas y la aplicación de una metodología sistémica para la jerarquización de las mismas, en lo que se refiere a su posible implementación. La metodología multicri-terio aplicada es la denominada la QUÍMICA VERDE que consta de 12 principios de producción limpia, que permitió tomar decisiones y jerarquizar las alternativas

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de aprovechamiento de la glicerina presentando una descripción detallada de la técnica de selección y la priorización de las alternativas de aprovechamiento de la glicerina purificada de acuerdo con la combinación de criterios de la química ver-de, los costos y las particularidades consideradas para una hipotética planta produc-tiva de biodiesel con capacidad de 20000L/d. Resultados y discusión Las decisiones respecto al proceso de selección de la tecnología o alternativa ade-cuada para el aprovechamiento de la glicerina como insumo de fabricación o explo-tación, dependen de la disponibilidad de recursos técnicos y financieros. Además del presupuesto de capital, hay que tener en cuenta la compatibilidad con la estruc-tura organizativa y métodos de trabajo existente, efectos sobre el personal, impacto en el medio ambiente, etc. A partir de todo lo anterior y considerando todas las alternativas de aprovechamiento de la glicerina investigadas (Combustible, Suple-mento Alimenticio, Procesos de Fermentación Microbiana, Fertilizantes, Jabones, entre otros), realizando análisis de costos y teniendo en cuenta, los principios de la QUÍMICA VERDE para optar por un proceso amigable con el medio ambiente, se obtiene un orden jerárquico para la implementación de las alternativas analizadas. Conclusiones De acuerdo, al análisis realizado para evaluar la viabilidad de cada una de las alter-nativas, el uso de la glicerina purificada en la producción de Fertilizantes, es una de las mejores alternativas, desde el punto de vista ambiental, es una alternativa muy importante para lograr un desarrollo ecológicamente sostenible que mejora la ferti-lidad del suelo al utilizar subproductos y residuos agroindustriales como pueden ser los de extracción del aceite de palma y producción de biodiesel junto con la glice-rina purificada para suplir los requerimientos nutricionales del suelo. Asimismo, es una de las alternativas menos costosas y es de uso y beneficio directo para la pro-ducción agroindustrial. De igual forma, se evaluaron las otras alternativas analizadas obteniendo un orden jerárquico (Desengrasantes, Suplemento alimenticio, jabones, etc.) para una empre-sa de producción de 20.000 litros por día de biodiesel. Referencias a. Knothe, G., Gerpen J.V., Krahl, J. The Biodiesel Handbook(2005). United States of America. b. Clark, J. & Macquarrie D. Handbook of Green Chemistry (2002). United States of America. c. Aimaretti N., Intilángelo L., Clementz A., Ansaldi J. and Yori J. (2008). Aprovechamiento de la Glicerina obtenida durante la producción de biodiesel. Invenio, junio, año/vol. 11, número 020. d. Brady S. & Tam K. Zero Waste Biodiesel: Using Glycerin and Biomass to Create Renewable Energy, University of California, 2007.

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PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE ACEITE DE GIRASOL CON CATALISIS HETEROGÉNEA BASICA

Alejandro Torres Aldaco1,2, Raúl Lugo Leyte1, Helen Lugo Méndez1, Omar A Ruíz Ramirez2,

Rodrigo Sanvicente Silva1

1 Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica. Universidad Autónoma Metropolitana – Iztapalapa. Av. San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina,

09340,Iztapalapa, México, D.F. ata@xanum.uam.mx 2 División de Ingeniería Mecatrónica e Industrial. Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec.

Av. Tecnológico. Esq. Av. Hank González. Col. Valle de Anáhuac, 55210, Ecatepec, Estado de México. Resumen El biodiesel ha captado la atención durante la última década como combustible renovable y biodegradable, debido a su composición química y propiedades termodinámicas similares a diesel de petróleo. Actualmente, los procesos para la elaboración de biodiesel son procesos en fase homogénea, en la etapa de reacción se produce una mezcla de al menos cinco componentes, esto complica los procesos de separación e incrementa los costos de producción, además estos procesos presentan velocidades de reacción bajas. El objetivo de este trabajo es la síntesis de biodiesel por catálisis heterogénea, empleando catalizadores básicos de Ag y K impregnados en γ-alúmina. Para la obtención del biodiesel se utilizó aceite de girasol y metanol anhidro. Las variables fueron: temperatura de reacción, de 50 a 65°C; relación molar metanol-aceite de 6:1, tiempo de reacción de 6 horas El rendimiento máximo obtenido de biodiesel fue de 92% para una relación de 6:1 y 50°C. Introducción. El biodiesel es un combustible sintético que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, éstos pueden ser nuevos o usados, medi-ante procesos industriales de esterificación y transesterificación [1,2]. Debido a esto, su utilización no requiere mayores cambios en los motores diesel convencio-nales.. Actualmente, varios procesos se están desarrollando para la producción de biodiesel. La transesterificación por catálisis básica proporciona altos niveles de conversión de triglicéridos a esteres metílicos que corresponden a tiempos de reac-ción cortos [2,5]. En la actualidad la mayoría de los procesos para la elaboración de biodiesel son procesos en fase homogénea, dichos procesos producen una mezcla de reacción de al menos cinco componentes que se compone de: catalizador, agua, metil ester, glicerol, jabón, esto complica los procesos de separación e incrementa en forma importante los costos de producción del biodiesel; además de tener velo-cidades de reacción pequeñas. El proceso de catálisis heterogénea básica disminuye los componentes de la mezcla de reacción [3]. De acuerdo a lo anterior se propone el K y la Ag para diseñar catalizadores que sean activos y selectivos para la reacci-ón de transesterificación. Las etapas de preparación del catalizador involucran al-

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gunas operaciones que se agrupan en dos etapas principales: preparación química y tratamiento térmico. Con el método de impregnación se logra controlar los paráme-tros que determinan las propiedades del catalizador resultantes como: la textura, el área superficial, tamaño de partícula y la fase cristalina del metal; de modo que según las necesidades. Materiales y Métodos. En este trabajo se implementa el uso de catalizadores heterogéneos básicos. Éstos fueron sintetizados por impregnación de Ag o K para la producción de biodiesel por transesterificación de aceite de girasol El soporte utilizado fue γ-alúmina, tiene un diámetro de partícula de 6.35 mm y un área superficial de 260 m2/g y. Los me-tales se cargan sobre el soporte por el método de impregnación; seguido del secado a 393 K durante 16 h. Se prepararon catalizadores, variando el porcentaje de metal en el soporte. La reacción de transesterificación se llevo a cabo empleando aceite de girasol con peso molecular de 250.94 gr/mol; el metanol empleado fue anhidro, el volumen del reactor utilizado es de 1 litro.; la agitación se mantuvo constante a 650 rpm; la temperatura de reacción fue 50 °C, el catalizador utilizado fue de 6.5 % en peso con respecto a la carga de reactivos. La relación molar MeOH-aceite, fue de 6:1 El tiempo de reacción que se utilizó fue de 6 h. Resultados y discusión La fig. 1 muestra el comportamiento de los distintos catalizadores previamente sintetizados de Ag y K. Para el catalizador con 20% en peso de Ag se tiene una conversión de 90.88 % mayor en 11.11% en comparación del catalizador de 20% de K. Los catalizadores de 30% de metal en ambos casos presenta una disminución del 22.22%. Conclusiones La mejor conversión a biodiesel fue de 90.88% con una selectividad de 49% em-pleando el catalizador de 20% de Ag. Con las condiciones de reacción: temperatura de reacción de 50°C, relación molar MeOH-aceite, de 6:1 y tiempo de reacción de 6 horas. La mejor conversión para los catalizadores de K fue de 84% con una selec-tividad de 46% bajo las mismas condiciones de reacción. Tomando en cuenta el carácter reutilizable del catalizador podemos concluir que el catalizador de plata es el mejor a las condiciones de reacción señaladas. Los catalizadores básicos sinteti-zados representan una alternativa para hacer más eficiente los procesos de produc-ción de biodiesel a gran escala.

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Fig. 1. Efecto de la plata y potasio en la conversión a biodiesel.

Se agradece al ICYTDF por apoyar el desarrollo del proyecto PICSO11-49, Impacto del biodie-sel obtenido a partir de aceites vegetales residuales y de mezclas enriquecidas en las emisiones y desempeño de los motores diesel y equipos de calentamiento para una sustentable ciudad de México.

Referencias

1. A. A. Refaat, (2010) “Different techniques for the production of biodiesel from waste vege-table oil”, Int. J. Environ. Sci. Tech., 7.

2. Ayato Kawashima, Koh Matsubara, Katsuhisa Honda, “Development of heterogeneous base catalysts for biodiesel production”, Bioresource Technology, 99. Issue 9, June 2008, Pages 3439–3443

3. Bournay L., Casanave D., Delfort B., Hillion G., Chodorge J.A., (2005) “New heterogene-ous process for biodiesel production: A way to improve the quality and the value of the crude glycerin produced by biodiesel plants”, Catalysis Today (2005), Volume:106,Issue:1-4,Elsevier, Pages:190-192

4. Dae-Won Lee, Young-Moo Park Kwan-Young Lee, “Heterogeneous Base Catalysts for Transesterification in Biodiesel Synthesis”, Catal Surv Asia (2009), 13, 63-67.

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EVALUACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO EMPLE-ANDO CEPAS NATIVAS DE Clostridium spp A PARTIR DE GLICE-

ROL COMO FUENTE DE CARBONO Tinoco, Lizeth3; Torres, Luz 3; Malagón, Dionisio2; Bernal, José1; Montoya, Dolly1

1 Universidad Nacional de Colombia, Instituto de Biotecnología, 2 Universidad Santo Tomás, 3Universidad de América-Bogotá

Introducción. La producción de biodiesel está generando altos volúmenes de glicerol que conlle-van a procesos alternos de separación y purificación. Una alternativa para su uso, lo constituye el empleo como fuente de carbono para la producción de hidrógeno, producto de valor agregado, empleando microorganismos del género Clostridum spp [1]. En el presente trabajo investigativo se estandarizó la producción de hidró-geno utilizando glicerol como sustrato usando 13 aislamientos nativos de Clostri-dium spp pertenecientes al cepario del Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional. Materiales y métodos. Se emplearon 2 cepas patrón y 13 cepas nativas, provenientes del banco de cepas y genes del Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional de Bogotá (IBUN), aisladas de suelos colombianos y caracterizadas bioquímica y molecularmente en estudios anteriores [2]. Se utilizaron dos medios de cultivo: reinforced culture me-dium (RCM) para mantener los microorganismos en forma esporulada y para culti-var los pre-inóculos y medio industrial con glicerol, para realizar los inóculos nece-sarios en el desarrollo de las curvas de crecimiento. El crecimiento microbiano fue evaluado mediante peso seco de la biomasa; la cuantificación de ácidos, solventes y consumo de sustrato se realizó a través de Cromatografía Liquida de Alto Ren-dimiento (HPLC). Los gases generados en la fermentación fueron cuantificados mediante Cromatografía de Gases (GC). Se seleccionó la cepa nativa mas promiso-ria para realizar una fermentación por lote en un reactor R´ALF Plus (Bioenginee-ring), con un volumen de trabajo de 4 litros en las siguientes condiciones: 37°C, agitación de 200 rpm y pH inicial de 7.0, empleando medio Industrial. Finalmente, a partir de los datos cinéticos obtenidos se llevó a cabo el ajuste de un modelo ma-temático usando las herramientas disponibles en MATLAB ®, que describe la for-mación de biomasa, producto y consumo de sustrato, empleando modelos no es-tructurados. Resultados y discución A partir de los resultados obtenidos se seleccionó la cepa más productora de ácido butírico e hidrógeno (IBUN 18S), debido a que no se presentó producción de buta-nol. Se obtuvo una productividad de 0,0152 g ac. but. l-1glicerol h-1 y 0,3167 mg H2l-1glicerol. h-1 y un rendimiento de 0,2138 mol ac. But mol-1glicerol y 0,1962 mol H2.mol-1glicerol. El modelo ajustado para describir el comportamiento cinético

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corresponde al de Luedenking-Piret y Luedenking-Piret modificado, para la cinéti-ca de crecimiento celular, producción de ácido butírico e hidrógeno y consumo de sustrato, obteniendo los coeficientes de determinación superiores a 0,95 para bio-masa y sustrato y de 0,77 y 0,87 para los productos.

Tabla 6. Parámetros cinéticos ajustados a los modelos no estructurados por MATLAB. Parámetros valor R2

Biomasa: Ecuación Logística (h-1) 0,2959 0,97 (g.l-1) 1,0153

Sustrato: Luedeking-Piret Modificado (gS.gx-1) 13,5839 0,96 (gS.gx-1.h-1) 0,0497

Ácido Butírico : Luedeking-Piret (gBut.gx-1) 2,0391 0,87 (gBut.gx-1.h-1) -0,0048

Hidrógeno: Luedeking-Piret (gH2.gx-1) 12,4842 0,77 (gH2.gx-1.h-1) -0,0666

Conclusiones. Se seleccionó la cepa IBUN 18S por presentar una productividad volumétrica mayor respecto al hidrógeno de 0,3167mgH2.l-1.h-1. No se generó butanol por parte de las cepas nativas ni patrón, se obtuvieron rendimientos molares de 0,1962 molH2. mol-1 glicerol y 0,2138 mol ac. Butírico mol-1 glicerol. Se ajustaron los mo-delos matemáticos satisfactoriamente en la mayoría de los casos obteniendo los coeficientes de determinación superiores a 0,95 para biomasa y sustrato y de 0,77 y 0,87 para los productos. Estos resultados resultan prometedores y plantean una posibilidad de uso de sub-productos asociados a la producción de biodiesel para la generación de hidrógeno al compararlos con lo reportado internacionalmente [3] Referencias: [ 1] ARAGÓN, Oscar Leonardo. Estudio de la viabilidad técnica de la producción de 1,3-Propanodiol a partir de glicerol con nuevas cepas colombianas de Clostridium sp.(IBUN). Bogotá, 2007.

Figura 10. Perfiles de fermentación de la cepa IBUN 18S evaluados en reactor por lote.

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[2] MONTOYA, Dolly; SPITIA, Sandra; SILVA Edelberto and WOLFGANG H. SCHWARZ. Isolation of mesophilic solvent-producing clostridia from Colombian sources: physiological charac-terization, solvent production and polysaccharide hydrolysis. Journal of Biotechnology 79, 2000. p.2 [3] HALLENBECK, Patrick C; ABO-HASHESH, Mona and GHOSH,Dipankar. Strategies for improving biological hydrogen production. Département de microbiologie et immunologie, Université de Montréal.,El sevier. Bioresource Technology, 2012.

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ASPECTOS TERMODINÁMICOS DEL EQUILIBRIO DE FASES INCLUIDA LA REACCIÓN DE LAS SUSTANCIAS INVOLUCRA-DAS EN EL PROCESO DE TRANSESTERIFICACIÓN DEL BIO-

DIESEL (Biocombustibles a partir de plantas oleaginosas)

Mario Andrés Vargas Rodríguez, Johan Sebastián Mesa Villamarin

Fundación Universidad de América, Grupo de Investigación en Procesos de Separación no Conven-

cionales (GPS), Avenida Circunvalar #20-53, Bogotá, Colombia, Johan.mesa@estudiantes.uamerica.edu.co

Introducción La producción de biodiesel a través de procesos combinados del tipo reacción - separación recibe gran atención en la actualidad debido a las ventajas que presentan frente al proceso convencional, principalmente (c, d): reducción de la cantidad y tamaño de los equipos, desplazamiento del equilibrio químico (o aumento del nivel de conversión en las reacciones controladas por la cinética), incremento de la selec-tividad. El estudio de esta clase de procesos requiere el cálculo y la representación grafica de los siguientes diagramas de fases: equilibrios (líquido – vapor, líquido – líquido, líquido – líquido – vapor), mapas de curvas de residuo de las sustancias involucradas en el proceso. En este trabajo se presenta la caracterización termo-dinámica necesaria para el análisis y diseño de los procesos simultáneos para la producción de biodiesel empleando una reacción de trans-esterificación y como moléculas modelo la trioleina y el metil-oleato para representar los triglicéridos y el biodiesel, respectivamente. El desarrollo de las ideas se refiere a los siguientes dos objetivos: 1) seleccionar un modelo termodinámico que ajuste los datos expe-rimentales disponibles en la literatura, 2) desarrollar los equilibrios de fases liqui-do-vapor, liquido-liquido, liquido-liquido-vapor, y las líneas de residuo físicas para el sistema metanol-glicerol-metil oleato-trioleina, 3) desarrollo de las líneas de residuo reactivas controladas por la cinética para las sustancias involucradas en la transesterificación de la trioleina .

Materiales y Métodos Para la elección del modelo termodinámico se compararon los datos experimenta-les disponibles en la literatura con los resultados de algunas combinaciones en las formulaciones del equilibrio:1) formulación “phi – phi” con ecuaciones cúbicas de estado basadas en modelos de energía libre de Gibbs en exceso; 2) formulación “gamma - phi” empleando UNIFAC DORTMUND para la fase líquida y la ecua-ción del Virial para la fase gaseosa. Para el desarrollo del equilibrios de fases se utilizo el método de Ratchford y Rice para la determinación de los equilibrios li-quido-vapor, liquido-liquido, liquido-liquido-vapor, y las líneas de residuo físicas

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para el sistema metanol-glicerol-metil oleato-trioleina. Para el desarrollo de las líneas de residuo controladas por la cinética, se selecciono una cinética de transes-terificación de trioleina en un catalizador básico heterogéneo, para números de Damkohler de 1, 5 y 50 utilizando el método desarrollado por Zhiwen Qi (g). Resultados y discusión La comparación de la precisión de los modelos termodinámicos se realizó a partir de los datos experimentales para los equilibrios binarios: metanol –glicerol, meta-nol- metil oleato obtenidos por M.B. Oliveiraa, J. Soujanyab. Como se observa en la figura 1, modelo que mejor predice el equilibrio metanol- glicerol es el modelo ideal de Raoult – Dalton, y el modelo que mejor predice el equilibrio metanol-metil oleato es el modelo UNIFAC DORTMUND para la fase líquida y la ecuación del gas ideal para la fase gaseosa, sin embargo la combinación tiene una predicción global más precisa es la combinación UNIFAC DORTMUND - Virial, en ambos casos el modelo que tiene la menor capacidad de predicción es el modelo de SRK-MHV2. Para los ELL y ELLV la combinación de modelos que utilizan el modelo de UNIFAC DORTMUND, son muy inexactos, sin embargo los modelos PSRK Y SRK-MHV2 no son capaces de predecir estos equilibrios para las sustancias pro-blema, por lo que la combinación UNIFAC DORTMUND- virial se seleccionó para desarrollar el equilibrio de fases, incluidas las líneas de residuo, tanto físicas como las líneas de residuo reactivas basadas en la cinética. Conclusiones La combinación UNIFAC DORTMUND- virial tiene una precisión global más exacta para los equilibrios del sistema metanol-glicerol-metiloleato por lo que se seleccionó para desarrollar el equilibrio de fases incluida la reacción de este siste-ma. Las líneas de residuo muestran que la línea de vapor consiste en metanol casi puro, mientras que la composición de la fase liquida tenga una fracción molar de metanol mayor al 0,1 %. Las lineas de residuo reactivas no muestran ningún azeótropo reactivo. Referencias a. M.B. Oliveiraa, A.R.R. Telesa, A.J. Queimadab, J.A.P. Coutinhoa, “Phase equilibria of glycerol containing systems and their description with the Cubic-Plus-Association (CPA) Equation of State”, FLUD FASE EQUILIBRIA, 24 de marzo de 2009 b. J. Soujanya *, B. Satyavathi, T.E. Vittal Prasad, “Experimental (vapour + liquid) equilibrium data of (methanol + water), (water + glycerol) and (methanol + glycerol) systems at atmospheric and sub-atmospheric pressures”, J. Chem. Thermodynamics, 5 de diciembre del 2009 c. K.J. Dussan, C.A. Cardona, O.H. Giraldo and L.F. Gutierrez, B.H. Perez. Bioresource Technology., pp. 101-109 (2010). d. Farizul H. Kasin and Adam P. Harvey, Chem. Eng. Journal., pp. 171-177 (2011). e. Pérez-Cisneros E.S., Gani R. and Michelsen M. L. Chem. Eng. Sci., 52 (4), pp. 527-543 (1997). f. Zhiwen Qi, Aspi Kolah, Kai Sundmacher, Residue curve maps for reactive distillation systems

with liquid-phase splitting, chemical Engineering Science 57 (2002) 163–178

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ASPECTOS TERMODINÁMICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL POR DESTILACIÓN REACTIVAS

(Biocombustibles a partir de plantas oleaginosas)

Mario Andrés Vargas Rodríguez, Johan Sebastián Mesa Villamarin

Fundación Universidad de América, Grupo de Investigación en Procesos de Separación no Conven-

cionales (GPS), Avenida Circunvalar #20-53, Bogotá, Colombia, Mario.vargas@estudiantes.uamerica.edu.co

Introducción En las etapas de síntesis, diseño y optimización de procesos industriales del tipo separación – reacción (por ejemplo la destilación reactiva) es esencial disponer de dos elementos estructurales: 1) un modelo termodinámico riguroso para describir los equilibrios (de fases, químico y simultáneo); 2) un modelo cinético realista para las expresiones de velocidad de las reacciones. A partir de este conocimiento y las ciencias básicas de la ingeniería, es posible sintetizar los esquemas tecnológicos de los procesos productivos, aplicar métodos cortos de diseño basados en la termo-dinámica topológica y evaluar las posibilidades de intensificación de un proceso. La producción de biodiesel a través de procesos combinados del tipo reacción - separación recibe gran atención en la actualidad debido a las ventajas que presentan frente al proceso convencional, principalmente (a, b): reducción de la cantidad y tamaño de los equipos, desplazamiento del equilibrio químico (o aumento del nivel de conversión en las reacciones controladas por la cinética) y el incremento de la selectividad. En este trabajo se presenta la caracterización termodinámica necesaria para el aná-lisis y diseño de los procesos simultáneos de destilación y extracción reactivas para la producción de biodiesel empleando una reacción de transesterificación y como moléculas modelo la trioleina y el metil oleato para representar los triglicéridos y el biodiesel, respectivamente. El desarrollo de las ideas se refiere a los siguientes cuatro objetivos: 2) búsqueda o determinación de las propiedades (criticas, energé-ticas y geométricas) necesarias para alimentar las secuencias de cálculo; 2) selec-cionar un modelo termodinámico que ajuste los datos experimentales disponibles en la literatura; 3) seleccionar una expresión para la ley de velocidad en acuerdo con la evidencia experimental; 4) construcción de los planos de fases reactivos; 5) síntesis de los esquemas tecnológicos para los procesos controlados por la cinética.

Materiales y Métodos Para la elección del modelo termodinámico se compararon los datos experimenta-les disponibles en la literatura con los resultados de algunas combinaciones en las formulaciones del equilibrio:1) formulación “phi -phi”con ecuaciones cúbicas de estado basadas en modelos de energía libre de Gibbs en exceso; 2) formulación “gamma - phi” empleando UNIFAC DORTMUND para la fase líquida. En los

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aspectos reactivos se utilizaron cinéticas reportadas en la literatura para la reacción de transesterificación de la trioleina (compuesto de referencia) con catalizadores heterogéneos. Resultados y discusión Los modelos termodinámicos, formulados para la determinación de los equilibrios de fases y las curvas de residuo físicas heterogéneas, predijeron correctamente el comportamiento de las sustancias en comparación con los datos provenientes de la literatura de fuentes experimentales. En el caso de los equilibrios reactivos y las curvas de residuo reactivas heterogéneas se obtuvo que es posible la obtención de biodiesel de alta pureza por el grado de separación de las fases liquidas que se pre-senta luego de la reacción de transesterificación. La configuración del equipo de reacción-separación y su dimensionamiento preliminar se pudieron definir a partir de los mapas de curvas de residuo reactivas heterogéneas en donde el alimento debe ubicarse en la zona de enriquecimiento de la torre y el metanol debe ser ali-mentado por otra corriente en la zona de agotamiento. En la zona localizada de reacción el volumen de retención por etapa para que se lleve a cabo la reacción varía según la composición del alimento (metanol trioleina), el catalizador emplea-do y la temperatura y presión de operación del equipo, principalmente. Conclusiones Es de vital importancia tener buenos métodos de estimación de propiedades (críti-cas, energéticas y geométricas) para las sustancias involucradas en la reacción de transesterificación previas a la realización de las secuencias de cálculo al igual que los estimados del grado se separación para un alimento en la determinación de los equilibrios de fases y reactivos. La correcta elección del modelo termodinámico permite establecer o estimar ade-cuadamente el comportamiento de los compuestos involucrados en la reacción de transesterificación a diferentes temperaturas, presiones y composiciones. La configuración preliminar del equipo de reaccion-separacion varía según el cata-lizador utilizado para la reacción de transesterificación por lo tanto la viabilidad de la implementación del equipo depende en gran parte de la correcta elección del tipo de catálisis y la clase de catalizador a utilizar.

Referencias a. K.J. Dussan, C.A. Cardona, O.H. Giraldo and L.F. Gutierrez, B.H. Perez. Bioresource Tech-

nology., pp. 101-109 (2010). b. Farizul H. Kasin and Adam P. Harvey, Chem. Eng. Journal., pp. 171-177 (2011).

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OBTENCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE DE HIGUE-RILLA MEDIANTE EL EMPLEO DE LIPASAS COMERCIALES

EXTRAÍDAS A PARTIR DE R. ORYZAE Y C. RUGOSA (Biocombustibles y co-productos a partir de plantas oleaginosas)

Alarcón, Dalia1; Ramírez, Andrea1; Malagón, Dionisio1,2

1. Universidad Santo Tomás, Semillero Energía y Termofluidos, Carrera 9 No. 51-11 (Bogotá), sere-nasakino@gmail.com

2. Universidad Santo Tomás, Semillero Energía y Termofluidos, Carrera 9 No. 51-11 (Bogotá), an-drea11_2005@hotmail.com

3. Universidad Santo Tomás, Grupo de Investigación GEAMEC, Carrera 9 No. 51-11 (Bogotá), dionisiomalagon@usantotomas.edu.co

Introducción La ruta química se ha convertido en la más empleada para la obtención de biodiesel a partir de aceite de palma, en la cual se emplean como catalizadores hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. Sin embargo, el dilema ético surgido en los últimos años con respecto al uso de aceites comestibles para la obtención de energía ha llevado a la búsqueda de nuevas fuentes de aceites como Jatropha curcas e higue-rilla. Otra alternativa que puede ser empleada para la obtención del biodiesel es mediante catálisis enzimática, en la cual se emplean lipasas (triacilglicerol éster hidrolasas EC. 3.1.1.3), lo cual conlleva algunas ventajas tales como condiciones moderadas para llevar a cabo la reacción, facilidad en la separación de subproduc-tos . El aceite de ricino es un triglicérido de varios ácidos grasos y su singularidad se debe a su alto contenido de acido ricinoléico (87-90% peso), el cual estructural-mente corresponde al acido cis-12-hidroxyoctadeca-9-enoico[1] Materiales y métodos Las enzimas empleadas son tipo lipasa extraídas de Candida rugosa y de Rhizopus oryzae suministradas por MERQUIAND (Bogotá). Los demás reactivos emplea-dos fueron Hexano 99% y Metanol (99,8%) grado analítico (Panreac). Aceite de higuerilla y de palma grado comercial. El aceite se caracterizó en cuanto a viscosi-dad (Viscosímetro Brookfield Engineering Laboratorires LV), contenido de hume-dad y materia volátil (NTC 287), índice de acidez (NTC 218) e índice de saponifi-cación (NTC 335). Se evaluó la actividad enzimática mediante la cuantificación de ácidos grasos liberados a través del tiempo, a través de titulación con una solución de NaOH. Adicionalmente, se evaluó la generación de metil ésteres (biodiesel) usando las enzimas libres e inmovilizadas en una matriz de alginato de calcio. La reacción se llevó a cabo durante 9 horas a 40 C con agitación; se evaluó la carga enzimática (3%, 5% y 10%) en una relación molar aceite/alcohol constante, selec-cionada como 1:4. La caracterización del biodisel obtenido se realizó mediante cromatografía de gase (GC) para la detección de metil-ésteres. Resultados

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La caracterización del aceite de higuerilla mostró resultados acordes a los reporta-dos en la literatura cumpliendo lo establecido por la Norma ASTM D-960. El aná-lisis de varianza realizado para determinar el efecto del agua y del hexano en la actividad catalítica de la enzima obtenida de C. rugosa y de R. orizae se concluye que el porcentaje de agua y hexano presentan efecto sobre la actividad catalítica por lo cual se obtiene que los mejores porcentajes son 5% de hexano y 10% de hexano para C. rugosa y 5% de hexano y 8% de agua para R. oryzae. Cierta canti-dad de solvente es necesaria para mejorar la estabilidad operacional de la lipasa, influyendo en la solubilidad del triglicérido de carácter hidrófobo y el metanol de carácter hidrofílico y el recubrimiento de la enzima por la glicerina producida en el proceso [2]; a partir de un análisis de varianza (ANOVA) se demostró que no exis-te diferencia significativa entre los dos porcentajes de lipasa evaluados (3% y 10%), por lo cual se escogió un porcentaje del 3%. La producción de biodiesel mostró que la conversión obtenida para R. oryzae es del 14,8% y para C. rugosa es del 10% los cuales son valores prometedores; los porcentajes de metilésteres fue-ron de 15% para la enzima R. oryzae y 10 % para la lipasa C. rugosa.La separa-ción de la glicerina fue sencilla a pesar de la alta viscosidad del aceite de higuerilla. La Figura 1 muestra los metil-ésteres obtenidos para las 2 lipasa empleadas.

Figura 1. Determinación de metil-ésteres para C. rugosa (Izquierda) y para R. oryzae (derecha) a 9 horas de reacción. Conclusiones. Mediante el presente trabajo se estandarizó un proceso para la obtención de biodie-sel empleando lipasas comerciales de C rugosa y R. oryzae, el cual es una alterna-tiva para la obtención por la vía química. La facilidad para separar la glicerina, frente a la vía química resulta una ventaja comparativa. Referencias [1] Puthli, Meenal S., Rathod., Virendra K. y Pandit, Aniruddha. 2006. Enzymatic hydrolysis of castor oil: Process intensification studies., Biochemical Engineering Journal, Vol. 31, págs. 31-41. [2] Delgado, Claudia y Pashova, Veselina. 2010, Producción enzimática de ésteres etílicos del aceite de ricino. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, págs. 9-19.

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PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACION DE BIODIESEL OBTENI-DO A PARTIR DE Jatropha curcas

(Producción de biocombustibles)

Castellanos, Juan1; Malagón, Dionisio2 ; Williams, Susan3

1. Universidad Santo Tomás, Semillero de Investigación Energía y Termofluidos, carrera 9 No. 51 – 9 No 11 (Bogotá), email: juanda7475@yahoo.com

2. Universidad Santo Tomás, Grupo GEAMEC, Carrera 9 No 51-11 (Bogotá), e-mail: dionisiomala-gon@usantotomas.edu.co

3. Universidad de Kansas, 1530 W. 15th Street 4132 Learned Hall, Lawrence, Kansas smwilli-ams@ku.edu

Introduccion Debido a los altos niveles de contaminación producidos por los combustibles con-vencionales tales como gasolina y diesel que afectan en gran medida el medio am-biente, es necesario el uso de combustibles alternativos que cumplan la misma función de la gasolina y el diesel pero con un impacto ambiental bajo. Con miras a lograr lo anterior se ha desarrollado, como alternativa tecnológica, la producción de biodiesel a partir de aceite de palma, lo cual ha generado una discusión ética a nivel global sobre si es procedente o no utilizar materias primas que son base de la ali-mentación humana para generar energía. Es por ello que otras alternativas de aceite se empiezan a investigar como higuerilla y Jatropha. En el presente trabajo, se ha estandarizado el proceso de obtención de biodiesel a partir de aceite de Jatropha curcas empleando una ruta química y su caracterización. De esta manera el proceso se convierte en una alternativa tecnológicamente viable para ser implementada en el mediano plazo. Materiales y métodos El aceite usado procede de la Compañía Agroenergia de Honduras S.A. Para la obtención del biodiesel se realizó filtración al aceite usando equipo de filtración de laboratorio con papel filtro (6 µm) y bomba de vacío. Una vez filtrado el aceite se procedió a guardarlo en nevera a 4 °C hasta su uso en cada ensayo. La caracteriza-ción del aceite se llevò a cabo hallando las propiedades físicas y químicas bajo normas ASTM, y hallando el valor acido del aceite bajo la norma ASTM D644. La reacción de obtención de biodiesel se realizó en dos etapas (esterificación y trans-esterificación) debido al alto contenido de ácidos grasos (14,1%) presentes en el aceite. En la esterificación se empleó ácido sulfúrico como catalizador al 1% p/p con respecto a la masa de aceite, las condiciones de reacción fueron las siguientes: Temperatura 60ºC, Velocidad de agitación: 600 rpm, Tiempo de reacción: 120 minutos. Posteriormente, se tomó el producto de la reacción y se procedió a reali-zar la trans-esterificacion a 60ºC, velocidad 600 rpm mediante un agitador magné-

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tico, relación molar aceite/alcohol 9:1, Cantidad de catalizador (metoxido de so-dio): 1% de la masa del aceite. Resultados y discusión La Tabla 1 presenta el resumen de las propiedades obtenidas por el biodiesel obte-nido. Todas las propiedades se ajustan a los parámetros establecidos por las normas ASTM y similares a lo reportado en trabajos previos (1), (2).

Tabla 1. Propiedades obtenidas del biodiesel de Jatropha curcas Propiedad Valor Método empleado

Poder calorifico (MJ/Kg) 39.28 ASTM D240-02 Viscosidad 40ºC (cSt) 4.46 ASTM D445-11 Flash point (ºC) 178.6 ASTM D93-11 Densidad 15º (Kg/m3) 880.54 ASTM D4042-11 Valor acido (mgKOH/g) <1 ASTM D 644 % FFA <1 ASTM D5555-95 Conclusiones A partir de los resultados obtenidos se puede ver que la producción de biodiesel a partir de aceite de Jatropha curcas es tecnológicamente viable, con lo cual se pue-de plantear en un futuro mediano la producción usando este aceite, el cual no es empleado para la alimentación humana. Agradecimientos Agradecimientos a las Universidad de Kansas por su colaboración con sus equipos y perso-nal y a la Universidad Santo Tomás por el apoyo en la investigación. Referencias (1) Alok Kumar Tiwari, Akhilesh Kumar, Hifjur Raheman, Biodiesel production from jatropha oil

(Jatropha curcas) with high free fatty acids: An optimized process, 2006). (2) Kalbande. S.; More, G; Nadre, R. Biodiesel Production from Non-edible Oils of Jatropha for

Utilization in Electrical Generator, 2008)

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EVALUACIÓN TÉCNICO-FINANCIERA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE ACEITE DE PALMA A BAJA ESCALA

Biocombustibles y co-productos a partir de plantas oleaginosas

Acevedo, Juan C.1, Hernández, Jorge A.2

1. Universidad de Santander Sede Cúcuta, Eureka Udes, Av 4 Esquina Calle 10N Urb. El Bosque, ing.juancamilo07@gmail.com

2. Universidad de Santander Sede Cúcuta, Eureka Udes, Av 4 Esquina Calle 10N Urb. El Bosque, jahm_32@hotmail.com

Introducción La producción de biodiesel en Colombia es una alternativa económica para susti-tuir la producción de petrodiesel en las refinerías y atenuar los efectos de la cre-ciente “dieselización” del transporte automotor. Sin embargo, con escenarios tan favorables el país no ha desarrollado mecanismos que permitan la producción de biodiesel a baja escala (<100.000 Lts/día). Para evaluar técnica y financieramente la producción de biodiesel a baja escala en Norte de Santander se determinará co-mo afecta el tipo de materia prima a los costos totales de producción, se definirá la estrategia más viable para apalancar un proyecto de inversión y cómo esto influye en la Tasa Interna de Retorno, se pretende analizar el tipo de lavado del biodiesel que mejor afecta la rentabilidad del proceso teniendo en cuenta el impacto medio-ambiental, se comparara el impacto del alcohol utilizado en el margen de utilidad generado por el galón de biodiesel y se calculará el nivel más bajo de producción a escala industrial, teniendo como referencia las variables anteriores y garantizando la factibilidad del proyecto utilizando como apoyo el software de simulación de procesos Aspen HYSYS®. Materiales y Métodos La metodología a utilizar será descriptiva, puesto que pretende evaluar el compor-tamiento de las variables más importantes en la producción de biodiesel y propor-cionar un mecanismo que defina la productividad de una alternativa económica a baja escala, los datos serán recolectados directamente de una planta de producción de 20000 Lts/día de Biodiesel de palma. El proyecto para su desarrollo estará dividido en una serie de fases, iniciando por el desarrollo de un diagnóstico inicial del proceso productivo, el análisis independien-te de las variables del proceso (materia prima, alcohol utilizado, tipo de lavado) y luego la evaluación integral del comportamiento de dichas variables mediante el apoyo del software de simulación de procesos con el fin definir el nivel más bajo de producción de B-100 a escala industrial.

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Resultados y Discusión Con la ejecución del proyecto de investigación se pretende evaluar el comporta-miento de las variables técnicas y económicas más importantes para la producción de biodiesel de aceite de palma como: materia prima, tipo de lavado, alcohol utili-zado y apalancamiento financiero, de manera independiente e integrada mediante el uso del software de simulación de procesos Aspen HYSYS® que permite realizar el diseño del proceso de producción de biodiesel teniendo en cuenta, las propieda-des fisicoquímicas, los balances de materia y energía y las unidades de operación requeridas para el modelamiento del proceso en estado estacionario, como en esta-do dinámico, con un alto grado de confiabilidad y obteniendo ma-yor entendimiento de cada aspecto del proceso productivo Basado en los resultados de la evaluación anterior se definirá el nivel mínimo de producción al que se puede operar en la transformación del biodiesel garantizando la viabilidad del proyecto, lo cual permite generar un escenario claro y seguro que promueva la inversión en esta alternativa económica. Conclusiones A largo plazo lo que visiona el proyecto con la masificación de la producción de éste biocombustible, está orientada en 4 ejes importantes, en el componente social con la generación de empleo directo e indirecto en zonas rurales y con escasas op-ciones laborales; en el eje ambiental a través de la disminución de la contaminación del aire en el medio, gracias a la reducción de material particulado generado por la combustión del biodiesel; otro eje relevante es la diversificación de la canasta y autosuficiencia energética, ya que en la actualidad Colombia cuenta con una oferta energética de un 76,2% de materiales no renovables, lo cual se traduce en un gran campo por explotar y aprovechar; y por último, se encuentra el eje del sector agrí-cola mediante el incremento importante en el área cultivada con palma de aceite con el fin de atender la demanda del mercado de aceites vegetales para el sector alimenticio y no alimenticio, potencializando de esta forma una de las locomotoras más importantes de nuestro país. Referencias

a. Benjumea, Pedro; Agudelo, Jhon; Cano, Gabriel; (2004) Estudio experimental de las variables que afectan la reacción de transesterificación del aceite crudo de palma para la producción de biodie-sel. En: Scientia Et Technica, vol. 10, pp. 169-174.

b. Cenipalma, Fedepalma y Ecopetrol; (2009) Biodiesel de palma una alternativa energética con-fiable y de calidad; En: Biocombustibles, pp. 18-19.

c. Corporación para el Desarrollo Industrial de la Biotecnología y Producción Limpia (2003). Programa Estratégico para la Producción de Biodiesel: Combustible Automotriz a partir de Aceites Vegetales; Bogotá: CORPODIB.

d. Yoo, C. K.; May, C. Y.; Ngan, M. A.; Basiron, Y.; (1998) Production Technology of Palm die-sel. En: Palm Oil Research Institute of Malaysia.

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INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL HIDROTRATA-MIENTO DE ACEITE CRUDO DE PALMA USANDO CATALIZA-

DORES COMERCIALES TIPO NiMo/ϒ-Al2O3. (Biocombustibles a partir de material oleaginoso)

Mónica Guzmán Castillo1*; Viatcheslav Kafarov1; Alexander

Guzmán2, Laura Garzón2

1. Universidad Industrial de Santander, CIDES, carrera 27 calle 9, monicaguzmanc@gmail.com

2. Instituto Colombiano del petrolero ICP, km 7 vía Piedecuesta, Alexander.Guzman@ecopetrol.com.co

1. Introducción El hidroprocesamiento de aceites vegetales para la obtención de a n-alcanos en el rango de diesel mediante hidroprocesamiento, fue patentada por la compañía fin-landesa Neste Oil, el proceso se lleva a cabo utilizando catalizadores de Mo o W soportados sobre ϒ- Al2O3 promovidos por Ni o Co a temperaturas entre 250-350°C, presiones entre 35-90bar y velocidades espaciales entre 1.2 y 1.6 h-1 [1,2,4,5,6,7,8]. Guzmán y col. [3], estudiaron el hidroprocesamiento de aceite de palma crudo a condiciones de media severidad y propusieron un esquema de reacción que incluye además de n-alcanos, ésteres de alto peso molecular (ocatadecanol, n-acido octa-decanóico, octadecanal, hexadecil hexadecanoato, ocatadecil hexadecanoato). Es-tos ésteres están presentes en proporciones superiores al 70% en la mayoría de las ceras vegetales y animales, por lo tanto se abre la posibilidad de una nueva ruta para la obtención de ceras vegetales alternativas, mediante el ajuste de la composi-ción y propiedades del producto. Este trabajo busca evaluar el efecto de la temperatura en el hidrotratamiento de aceite de palma, en aras de aumentar el contenido de ésteres de alto peso molecu-lar, en aras de obtener una composición y propiedades físicas más cercanas a las de las ceras naturales utilizadas tradicionalmente.

2. Materiales y métodos El aceite de palma utilizado contiene aproximadamente 43% de tripalmitina y 45% de trioleína y 12% de trilinoleína, número de ácido D4664: 7,40 mg KOH/g aceite. El hidrotratamiento fue llevado a cabo en una unidad piloto ubicada en el Instituto Colombiano del Petróleo (ICP- Ecopetrol). El proceso se llevó a cabo utilizando un catalizador comercial NiMo/ ϒ- Al2O3, a temperaturas entre 413 – 533K, presiones entre 6 – 9 MPa, velocidad espacial de 2h-1 y relación H2/aceite de 472 LNH2/L carga.

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3. Resultados y análisis En la Tabla 2, se resume la composición general del producto líquido obtenido bajo las condiciones de reacción dadas en el apartado de metodología. Los compuestos mostrados en la Tabla 1 representan entre el 95% y el 98% del producto total. De los resultados mostrados en la Tabla 2, se observa que cerca del 94% del pro-ducto obtenido a temperaturas entre 413 y 453K, está constituido por triglicéridos y diglicéridos. Las reacciones que llevan a la formación de los ésteres cerosos no se presentan en gran medida observándose una concentración menor al 1%. De la misma manera, las reacciones de desoxigenación hasta parafinas no se presentan cuantitativamente a estas condiciones de reacción, por tanto, se infiere que el hidrógeno alimentado es consumido principalmente en la saturación de los ácidos grasos presentes en los glicéridos y en menor proporción de los ácidos grasos libres insaturados. Cuando la temperatura se incrementa en el rango de 453-493K los rendimientos de ésteres cerosos y alcoholes grasos aumentaron en un 7% aproxi-madamente a expensas del rendimiento a tri- y diglicéridos disminuyó en cerca del 7% y del rendimiento a ácidos grasos libres cuyo contenido se redujo levemente (1%), indicando que bajo estas condiciones tiene lugar la saturación de ácidos gra-sos libres a alcoholes grasos y que las reacciones propuestas como rutas para la

Tabla 1. Composición global del efluente líquido producto del hidrotrata-miento de aceite de palma a diferentes temperaturas.

Compuesto Temperatura de reacción, K

413-453 453-493 493-533

Triacilgliceroles (TAG), % 85,95 79,72 38,99

Diacilgliceroles (DAG), % 7,98 7,37 6,58

Ácidos grasos libres (FFA)% 4,28 3,16 7,31

Ésteres cerosos % 0,76 4,15 24,52

Monoacilgliceroles (MAG), % 0,3 0,4 0,78

Alcoholes grasos, % 0,6 4,25 10,15

Parafinas, % 0,13 0,58 10,43

Propil ésteres, % 0 0,37 1,24

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formación de ésteres cerosos empiezan a ser importantes. Por su parte, el bajo con-tenido de parafinas evidencia que en este rango de temperaturas tampoco hay una presencia notable de reacciones de desoxigenación. Sólo cuando la temperatura se varió en el rango entre 493 y 533K se observó un incremento importante en el contenido de parafinas de alrededor del 10%, lo que era esperado puesto que son temperaturas más cercanas a las del proceso de pro-ducción de green diesel el cual generalmente se lleva a cabo a temperaturas entre 250 y 310°C y presiones entre 35 y 50MPa. Los rendimientos a ésteres cerosos también aumentaron significativamente alcan-zando valores cercanos al 25%, lo que indica que a esta temperatura también se favorecen las reacciones de formación de alcoholes grasos y las reacciones de este-rificación.

4. Conclusiones

• Se observó que existe un fuerte dependencia entre la temperatura de hidro-tratamiento de aceite de palma y el rendimiento a ésteres cerosos, en-contrándose un óptimo entre 220 y 240°C.

• El producto sólido obtenido a partir del hidrotratamiento de aceite de pal-ma sobre catalizadores comerciales NiMo/Al2O3, de acuerdo a las propie-dades evaluadas es susceptible de ser usado como reemplazo de las ceras naturales en determinadas aplicaciones.

• A 483K se observaron valores máximos para el punto de fusión y dureza del producto y el mínimo valor para el índice de yodo de las muestras sóli-das analizadas.

5. Bibliografía [1] B. Donnis, R. Egeberg, P. Blom, and K. Knudsen. Hydroprocessing of bio-oils and oxygenates to hydrocarbons. understanding the reaction routes. Topics in Catalysis 52:229{240, 2009.2 [2] F.A. Duarte, Nogueira W. S., A. E. Ferreira, L. Lowe, and J.R. Gomes. Vegetable oil hydroconversion process, 2011. [3] Alexander Guzman, Juan E. Torres, Laura P. Prada, and Manuel L. Nu~nez. Hydroprocessing of crude palm oil at pilot plant scale. Catalysis Today, 156(1-2):38{43, oct 2010. [4] D. Kubicka and J. Horacek. Deactivation of hds catalysts in deoxygenation of vegetable oils. Applied Catalysis A: General, 394(1-2):9{17, 2011. [5] D. Kubicka and L. Kalucka. Deoxygenation of vegetable oils over sulfided Ni, Mo and NiMo catalysts. Applied Catalysis A: General, 2010. [6] T. Marker, P. Kokaye_, C. Gosling, G. Faraci, and C. Perego. Green diesel production from vege-table oil. In 10th Topical Conference on Re_nery Processing. [7] D. Murzin, I. Kubickova, M. Snare, P. Maki-Arvela, and J. Myllyoja. Method for the manufacture of hydrocarbons, 2006. [8] F. Voll, Camila da Silva, C. Rossi, R. Guirardello, F. de Castilhos, J. Vladimir, and L. Cardozo-Filho. Thermodynamic analysis of fatty acid esteri_cation for fatty acid alkyl esters production. Bio-mass and Bioenergy, 35(2):781{788, 2011.3

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FACTORES DE FORMACIÓN DE PRECIPITADOS EN EL BIO-DIESEL DE PALMA AFRICANA

(Biocombustibles y co-productos a partir de plantas oleaginosas)

Vladimir Plata-Chávez1, Viatcheslav Kafarov1 y Edgar Castillo-Monroy2

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en Industria y Energía, Carrera 27 calle 9, Bucaramanga, vladimirplata@gmail.com

2. Instituto Colombiano del petrolero ICP, Piedecuesta

Introducción La precipitación de algunas sustancias que se tenían por solubles en el biodiesel,

a temperaturas por encima de su punto de nube e inclusive a temperatura ambiente, se ha constituido en un problema de gran relevancia tanto a nivel nacional como internacional. Los precipitados así formados se depositan en el fondo de los tan-ques de almacenamiento, pudiendo afectar los equipos aguas abajo de la zona de tanques a, y obstruyen los filtros que protegen el sistema de inyección de los moto-res, ocasionando problemas de encendido y operatividad de los mismos b.

Situación del programa nacional de biodiesel en Colombia La puesta en marcha en pocos años de siete plantas de producción de biodiesel

de palma africana responde a la iniciativa del gobierno colombiano de implementar un programa nacional de biodiesel que permita diversificar la canasta energética, mejorar el medio ambiente, generar empleo, desarrollar el sector agrícola y con-quistar nuevos mercados. Sin embargo, este programa podría verse seriamente afectado de no solucionarse el problema de formación de precipitados que aqueja a este sector de la economía.

Naturaleza de los precipitados Tanto el tipo de aceite a partir del cual se produce el biodiesel como las tecno-

logías de procesamiento: refinación del aceite crudo y transesterificación del aceite refinado influyen sobre la naturaleza de los precipitados formados en el biodiesel y en mezclas de biodiesel/petrodiesel.

Tabla 1. Distintos compuestos identificados en los precipitados formados en el biodiesel

Tipo de biodiesel Compuestos identificados Referencia

Soya Esteril glucósidos libres c

Semilla de algodón Monoglicéridos, esteril glucósidos, esteroles d

Canola Jabones, glicerina e

Palma africana Monoglicéridos f

Palma africna Esteril glucósidos libres a

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Efecto del mezclado con petrodiesel y de la temperatura sobre la formación de precipitados en el biodiesel

La temperatura y el mezclado con petrodiesel también influyen sobre la forma-ción de precipitados en el biodiesel y en mezclas de biodiesel/petrodiesel. A tempe-raturas bajas se acelera este fenómeno. El mezclado con petrodiesel puede incre-mentar la masa de precipitados como consecuencia de la menor polaridad del pe-trodiesel con respecto al biodiesel. Este efecto se denomina “efecto de solvencia”. El mezclado con petrodiesel también puede influir sobre el tamaño que adoptan los precipitados e.

Efecto de la concentración de componentes minoritarios sobre la formación de precipitados en el biodiesel

La concentración de componentes minoritarios es otro factor influyente sobre la formación de precipitados en el biodiesel y en mezclas de biodiesel/petrodiesel. Los esteril glucósidos libres junto con los jabones están entre los componentes más influyentes sobre el tiempo de filtrado del biodiesel d. El efecto combinado de la concentración de componentes minoritarios puede ser complejo: por una parte, se puede exacerbar el efecto individual de cada uno de ellos, por otra parte, la filtrabi-lidad puede mejorarse f.

Conclusiones El conocimiento detallado de la naturaleza de los precipitados que se forman en

el biodiesel constituye un input fundamental en el control de este fenómeno: se puede concentrar los esfuerzos en el control de aquellos que resulten perjudicial-mente influyentes. La comprensión detallada de la influencia de la temperatura y el mezclado con petrodiesel, constituye otro input fundamental: se puede definir con-diciones ideales de almacenamiento, distribución y uso del biodiesel.

Es posible que la formación de precipitados en el biodiesel sea inevitable, pero quizá sea posible establecer un conjunto de condiciones fisicoquímicas para las cuales este fenómeno no afecte su filtrabilidad. Para este fin, se requieren modelos que relacionen la masa de precipitados y el tiempo de filtrado del biodiesel con la concentración de componentes minoritarios, la temperatura y el mezclado con pe-trodiesel.

Referencias a. Van Hoed V., Zyaykina N., De Greyt W., Maes J., Verhe´R., Demeestere K. Identification and

Occurrence of Steryl Glucosides in Palm and Soy Biodiesel. Journal of the American Oil Chemists’ Society (2008) 85: 701–709.

b. Pinzi S., Garcia I.L., Lopez-Gimenez F.J., Luque de Castro M.D., Dorado G., Dorado M.P. The Ideal Vegetable Oil-based Biodiesel Composition: A Review of Social, Economical and Technical Implications. Energy & Fuels (2009) 23: 2325–2341.

c. Pfalzgraf L., Lee I., Foster J., Poppe G. The effect of minor components on cloud point and fil-terability. Biodiesel Magazine (2007b) Noviembre. Disponible: http://biodieselmagazine.com/articles/1916/the-effect-of-minor-components-on-cloud-point-and-filterability.

d. Tang H., Salley O.S., Simon K.Y. Fuel properties and precipitate formation at low temperature in soy-, cottonseed-, and poultry fat-based biodiesel blends. Fuel (2008a) 87: 3006–3017.

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e. Lin H., Haagenson D.M., Wiesenborn D.P., Pryor S.W. Effect of trace contaminants on cold soak filterability of canola biodiesel. Fuel (2011) 90: 1771–1777.

e. Tang H., De Guzman R.C., Salley O.S., Simon K.Y. Formation of insolubles in palm oil-, yel-low grease-, and soybean oil-based biodiesel blends after cold soaking at 4°C. Journal of the Ameri-can Oil Chemists’ Society (2008b) 85:1173–1182.

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EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA IN-

DUSTRIA PALMERA MEDIANTE DIGESTIÓN ANAEROBIA (Biocombustibles y co-productos a partir de plantas oleaginosas)

Diana Herrera1, Diana Niño1, Ligia Arenas1, Debora Nabarlatz 1,2

1. CEIAM, Universidad Industrial de Santander, Carrera 27 # 9, AA 678 Bucaramanga, Co-lombia. Email: lparenas@uis.edu.co

2. Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander, Carrera 27 # 9, AA 678 Bucaramanga, Colombia. Email: dnabarla@uis.edu.co

Introducción El impacto ambiental generado por el uso de combustibles fósiles incentiva a la sociedad a buscar nuevas fuentes de energía renovable, siendo el biodiesel un bio-combustible con gran potencial para desplazar al petróleo. Debido a esto ha aumen-tado el consumo de aceite de palma puesto que es la materia prima indispensable para la generación de éste en países como Colombia, haciendo que la problemática ambiental crezca como consecuencia de su producción y utilización ya que genera aguas residuales con altos contenidos de carga orgánica como desecho. Con el pro-pósito de disminuir el impacto ambiental ocasionado y a su vez generar un produc-to de alto contenido energético, se busca verificar si es posible reducir dicha carga orgánica mediante digestión anaerobia, maximizando a su vez la producción de biogás a partir de este residuo. Materiales y Métodos Los experimentos se realizaron en reactores tipo batch de 500 mL, con un volumen de operación de 300 mL a una temperatura de 37±2°C (por triplicado). El tiempo de retención fue de 20 días y se varió la relación inóculo/sustrato (RIS) entre 1, 1,5 y 2 (g SV inóculo/g SV sustrato).Para ello se utilizó un inóculo conformado por una mezcla de lodo anaerobio obtenido de la planta de tratamiento de aguas residu-ales (PTAR Floridablanca, Colombia) y Estiércol Porcícola (P) proporcionado por el Grupo de Investigación de Biomasa que pertenece a la Universidad Industrial de Santander, en una relación 50/50 v/v de PTAR/Porcícola (PP). También se escogió lodo anaerobio de las lagunas facultativas de la industria palmera (LP) traído de la Empresa Indupalma S.A. El agua residual se recolectó de la empresa extractora de aceite de palma, Palmas del Cesar, ubicada en San Alberto, Colombia. Se realizó caracterización fisicoquímica al sustrato y a los inóculos incluyendo determinación de pH, concentración de sólidos totales (ST) y volátiles (SV), sóli-dos solubles totales y volátiles (SST y SSV), ácidos grasos volátiles (AGV) y alca-linidad (Alk). Durante el período de operación de los reactores se monitoreó pH, concentración de AGV, alcalinidad, SV y demanda química de oxígeno (DQO) mediante los procedimientos descritos en [1]. La producción de biogás se midió mediante el método de desplazamiento alcalino [2].

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Resultados y Discusión En la figura 1 se muestran las cinéticas de producción de metano para cada RIS utilizando dos inóculos diferentes (PP y LP), así como la disminución en la canti-dad de sólidos volátiles. Como puede observarse, la mayor producción de metano se consigue utilizando una RIS = 2 con el inóculo PP alcanzando 2740 mL de CH4; esto demuestra que a mayor carga orgánica de inóculo agregado al reactor aumenta la producción de metano. Los valores bajos durante la experimentación fueron para los reactores inoculados con LP, lo cual se debe a que el pH inicial del inóculo era menor. El pH es una de las variables más importantes en el proceso de producción de metano debido a que los microorganismos dependen de esta condición para desarrollar su actividad metabólica [3]. Los experimentos con LP a RIS 1 y 1,5 presentaron acidificación, debido a que la concentración de AGV se encontró en un rango de 8000 – 8500 mg/L con la con-secuente disminución en la producción de metano. La estabilidad del pH en la ex-perimentación con el inóculo PP a RIS 1,5 y 2 puede ser atribuida a la capacidad buffer del sistema, la cual está dada por la alcalinidad, encontrándose entre 10000 – 15000 mg CaCO3/L para la RIS 2 con el inóculo PP. Esto demuestra la habilidad de los microorganismos para ejercer un efecto tampón sobre el bioproceso [3]. La relación AGV/Alk presentó un valor cercano a 0,4 para PP RIS 2, siendo los meno-res de todo el proceso. El rango de la relación AGV/Alk debe estar entre 0,1–0,4, dado que este rango es adecuado para este tipo de sistemas y para que el proceso opere sin riesgo de acidificación o inhibición. Valores de AGV/Alk menores a 0,4 permiten que el sistema funcione y por encima de 0,8 hacen que ocurra una falla en el proceso y disminuya la producción de metano. Esto se evidencia en la baja pro-ducción de metano de LP, debido que la relación AGV/Alk se encontró entre 0,8-1,4.

Figura 1. Evolución de SV en comparación con el volumen de CH4 acumulado para a) PP b) LP utilizando RIS T=37±2ºC pH inicial=4,8 ε=±5%

En la figura 1 también puede observarse que a medida que baja la concentración de SV, aumenta la producción acumulada de metano. Esto se debe a que con el tras-curso del tiempo de operación la materia orgánica se degrada, siendo utilizada por

a)

b)

124

los microorganismos para producir metano. A partir de los datos obtenidos se cal-culó el porcentaje de remoción de SV encontrándose en un rango de 35,81% - 55,52% correspondiendo a PP RIS 1 y PP RIS 2 respectivamente, lo cual concuer-da con los resultados de producción de metano.A medida que la RIS aumenta se garantiza una mayor producción de metano y por ende una mejor remoción de SV. Esto se debe a que a mayor RIS, hay una mayor concentración de microorganismos que degradan la materia orgánica, favoreciendo a su vez un mayor pH durante el período de la prueba. Conclusiones Para este proceso de degradación anaerobia de agua residual procedente de la in-dustria palmera, se encontró que el lodo mezcla PTAR/Porcícola 50/50 v/v presen-tó la mayor producción de metano acumulado, alcanzando 2740 mL de metano cuando se utiliza una relación inóculo/sustrato de 2 g SV de inóculo/ g SV de sus-trato. Esta investigación demuestra que es viable la producción de metano mediante di-gestión anaerobia utilizando agua residual de la industria palmera como sustrato, con lo que es posible resolver problemas de contaminación y uso inadecuado del suelo, así como implementar un proceso generador de energía en este tipo de indus-tria. Agradecimientos Las autoras agradecen al CEIAM por los recursos y el espacio utilizado durante el proyecto, y a la Dra. Liliana Castro por su colaboración. Referencias 1.EATON A. Clesceri L. Rice E, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Centennial, 2005, p. 2.24-2.59. 2.DÍAZ-BÁEZ M, Espitia S, Molina F, Digestión Anaerobia: Una aproximación a la tecnología. Primera Edición. Editorial Universidad Nacional de Colombia UNIBIBLOS, Colombia, 2002, p. 53-97. 3.CHAIPRAPAT S. Laklam T, Enhancing digestion efficiency of POME in anaerobic sequencing batch reactor with ozonation pretreatment and cycle time reduction. En: Bioresource Technology, 2011, Vol 102, p. 4061-4068.

125

AMPLIACIÓN DE LA METODOLOGIA DE FRAGEMNTOS CONS-TITUYENTES AL CALCULO DE TEMPERATURAS DE EBULLI-CION DE TAG´s E IMPLEMENTACIÓN DEL METODO EN UNA

HERRAMIENTA COMPUTACIONAL. (Biocombustibles. Modelado de aceites vegetales).

Diana Carolina Cruz Forero, Oscar Andrés González Ruiz y Luis Javier López Giraldo

Escuela de Ingeniería Química - Universidad Industrial de Santander. Cra 27 calle 9ª Bucaramanga - Colombia

1. Introducción El crecimiento del desarrollo tecnológico y poblacional ha ocasionado que los úl-timos años hayan sido los de mayores alzas energéticas en la historia. Este creci-miento, ha empezado a generar preocupación ante la posibilidad del agotamiento en un futuro cercano de las reservas existentes de petróleo. Afortunadamente la energía fósil a pesar de ser la más usada, no es la única fuente de energía disponi-ble para suplir esta demanda. El biodiesel por ejemplo, se ha convertido en una de las opciones energéticas más estudiadas en los últimos años; y ha demostrado ser una alternativa viable y rentable. Para el caso específico de Colombia entre el 2009 y el 2010 su producción tuvo un aumento del 126% (United Satate Energy Infor-mation Administratio, 2011). El biodiesel puede ser producido a partir de más de 300 especies de oleaginosas diferentes, no obstante, las condiciones de suelo, cli-ma, rendimientos, contenido de aceite y la necesidad de mecanizar la producción, limitan el potencial de obtención de aceites vegetales a unas pocas especies entre las que sobresalen la palma, la colza, el girasol, la soya y las microalgas (Ministe-rio de Agricultura y Desarrollo Rural, 2010; Chisti 2007). A pesar de su potenciali-dad, la implementación de un proceso para la producción de biodiesel a gran escala debe ser validado mediante su simulación, para lo cual es necesario conocer propi-edades termodinámicas y de transporte de los compuestos involucrados. No obstan-te, muchas de estas propiedades termodinámicas no están disponibles para los acei-tes que normalmente se emplean para la producción de biodiesel. Para sobrepasar esta limitante se han empleado métodos predictivos y modelos termodinámicos que simulen el comportamiento de las corrientes de proceso. Uno de los simuladores más usado en la industria para este fin es Aspen HYSYS. Sin embargo, esta inter-faz de simulación no posee bases de datos en las que se incluyan las propiedades de aceites o los triglicéridos que los conforman. Un método alternativo de cálculo es el modelo de Fragmentos Constituyentes (Zong et al., 2010) el cual considera los triglicéridos como la agrupación de una columna central (glicerol) y 3 cadenas carbonadas (ácidos grasos). Consecuentemente, en este trabajo se validó e imple-mentó esta metodología para el cálculo de capacidad calorífica, densidad, viscosi-dad y presión de vapor para aceites vegetales considerándolos como mezclas de triglicéridos (TAG’s) homogéneos y heterogéneos. Adicionalmente, extrapolando

126

la metodología de Fragmentos Constituyentes, se propuso un método para el cálcu-lo de las temperaturas de ebullición de triglicéridos. Finalmente, se desarrolló una herramienta computacional para el cálculo de propiedades de aceites necesarias en la simulación de procesos para la obtención de biodiesel.

2. Metodología Para validar la confiabilidad de los resultados obtenidos empleando el método de Fragmentos Constituyentes se compararon los valores calculados y los computados empleando un software comercial (Aspen HYSYS, versión 7.2), con datos experi-mentales reportados para los aceites de soja, canola y oliva. La estimación de los perfiles de TAG’s a partir de su composición en ácidos grasos fue realizada emple-ando el método ECN42 (Panreac Química S.A, 1999). Finalmente, para la propues-ta y desarrollo de la herramienta computacional (OIL-CALPROP, versión 1.0) se empleó la interfaz de simulación VISUAL BASIC STUDIO 2010 (versión ex-press).

3. Resultados A continuación se resumen los resultados obtenidos con el software OIL-CALPROP (versión 1.0). De manera general, los errores relativos promedio de las propiedades calculadas fluctúan entre el 1 y el 32 % dependiendo del aceite y la propiedad. Estos errores son significativamente menores que los obtenidos emple-ando el software comercial Aspen HYSYS los cuales oscilan entre 70 y 100%. Con relación al cálculo de la temperatura de ebullición, la correlación propuesta basada en la metodología de Fragmentos Constituyentes, es capaz de estimar la temperatu-ra de ebullición de TAG’s con errores relativos promedio cercanos al 1%; mientras que para el único TAG presente en la base de datos de Aspen HYSYS el error rela-tivo es de ~ 29%. Además esta última puede ser fácilmente aplicable para el cálcu-lo de la temperatura de ebullición de TAG’s heterogéneos de los que no se dispon-ga información experimental. Finalmente, se generó una herramienta computacio-nal basada en el método de Fragmentos Constituyentes para el cálculo de propieda-des de aceites, necesarias en la simulación de procesos para la obtención de biodie-sel.

4. Conclusiones Los resultados obtenidos por el método de Fragmentos Constituyentes tienen me-nores errores de estimación que los obtenidos usando la herramienta de simulación comercial Aspen HYSYS. Eran de esperarse estos resultados ya que el método de Fragmentos Constituyentes considera al aceite como una mezcla de TAG’s; mien-tras que las estimaciones de propiedades termodinámicas para aceites vegetales en Aspen HYSYS se realizan bajo la suposición de que sólo un TAG homogéneo compone el aceite. Aunque comúnmente la opción para simular procesos que invo-lucran aceites como materia prima ha sido considerar éstos últimos como trioleina; el método validado en este trabajo se perfila como una solución viable y sencilla

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para mejorar los resultados de las simulaciones. Si se considera esta opción, se resuelven los problemas asociados con la definición de nuevos TAG’s en Aspen HYSYS.

5. Agradecimientos Los autores agradecen a la Vicerrectoria de Investigación y Extensión de la Universidad Industrial de Santander por su apoyo económico a través del proyecto 5452.

6. Referencias Chisti, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advance, 25(3): 294-306. Ministerio de agricultura y desarrollo rural. (2010). Empresarización de actividades agropecuarias. Disponible en: http://www.minagricultura.gov.co. Acceso el 10 de Febrero de 2012. Panreac Química S.A. (1999). Métodos analíticos en alimentaria Acidos y Grasas. Centre Telemamactic Editorial. United States Energy Information Administration. (2011). IndexMundi, World Biodiesel Consumption by Year. Disponible en: http://www.indexmundi.com/energy.aspx?product =biodiesel&graph=consumption v. Acceso el 6 de Febrero de 2012. Zong, L., Ramanathan, S., & Chen C. (2010). Frament-Based Approach for Estimaring Thermophysical Propiets of Fats and Vegetable Oils for Modeling Biodiesel Production Processes. Industrial and Engineering Chemistry Research, 49(2): 876-886.

128

COMPARISON OF TECHNOLOGY ALTERNATIVE FOR PALM OIL BIODIESEL PRODUCTION USING EXERGY ANALYSIS

(Biocombustibles y co.productos a partir de plantas oleaginosas)

Wilmer A. Jaimes M. y Viatcheslav Kafarov

Universidad Industrial de Santander, Grupo de Investigación para el Desarrollo Sostenible en Indus-tria y Energía, Calle 9 carrera 27 Ciudad Universitaria, wilm3rjaim3s@gmail.com

Introduction

Nowadays, biodiesel is frequently considered to be a more ecological friendly type of fuel compared to oil and others fossil fuels because biodiesel have many advantages in terms of environmental sustainability. This paper uses the exergy analysis as an evaluation criterion for the sustainability of biofuels and especially of biodiesel from palm oil.

Methodology

The two cases studied, the capacities of the plants were 80000 ton per year, and both processes were simulated using Aspen Hysys 6.5 industrial process simulator.

The first case study was the traditional technology for biodiesel production where the process was divided in three stages; 1. A Pre-treatment was used to re-duce the acidity level in the palm oil; 2. The transesterification reaction was carried out in CSTR reactor at 470 kPa, 65 °C, molar ratio 9 methanol / 1 oil, NaOH as catalyst and 97% of conversion. A kinetic model of second order was used [1]; 3. The separation and purification systems. The simulation starts with crude palm oil with average characteristics for Colombia. The second case was an alternative technology for biodiesel production, that con-sists in three stages: the esterification of fatty acids and the last stages the purifica-tion of biodiesel. 1. A triglycerides hydrolysis, this stage was simulated at the con-ditions reported by Saka et al.[2]; 2. The heterogeneous acid esterification was simulated in a PFR reactor using Sulfated Zirconia as catalyst, the reaction condi-tions according to Garcia and Teixeira[3]; and 3. The separation system where the ethanol was recovered and recirculated. The Reference Standard Environmental (RSE) for this work was defined 101.3 kPa and 298 K. The exergy analysis to biodiesel production process was made follow-ing a series of guidelines proposed by Dincer and Rosen [4], where the exergy balance applied to each stage is shown in the eq. 1, each term of right is the exergy associate to mass, heat and work flow. Exmass,in - Exmass,out + Exheat – Exwork = Exloss (1) The chemical exergy of some compound was found in the literature but for the atypical compounds were necessary calculate it, because this information was not

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available. The equation used is show below and was proposed by Ayres and Ayres[5].

Results

The simulations of the two processes analyzed are shown in Figure 1. In the first case study where 9374 kg/h of fresh Oil and 539 kg/h of fresh methanol were used as mainly inlet. As outlets, we have 1197 and 9260 kg/h of glycerol and bio-diesel respectively. In the second case study we have 8805 kg/h of Palm Oil and 1470 kg/h of fresh ethanol to overall process and the production calculated is 1016 and 9260 kg/h of glycerol and biodiesel respectively.

With the simulations finished, the properties of each currents were used to eval-uated the physic exergy in both cases, also the exergy balance was applied for each equipment. Some results are shown in the Table 1.

Figura 1. Figure 1. a) Simulation of first case study, b) Simulation the second case.

Tabla 1. Mass exergy of main currents

Case Study No 1 Case Study No 2 Stream Exergy (MJ/h) Stream Exergy (MJ/h) Oil Fresh 355,147 Oil Fresh 373,042,224 Ethanol Fresh 42,977 Methanol Fresh 133,566 Glycerol 2,0256,190 Glycerol 25,212,681 Water (Outlet) 20,690 Water (Outlet) 3,288,929 Biodiesel 379,184,220 Biodiesel 370,622,989 Vapour outlet 255,895,033 Vapour outlet 10,867,627 In order to evaluate the global efficiency of processes, the ratio of irreversibility

to total exergy inlet was calculated. For traditional technology the value obtained was 14.2% and for novel technology was 18%.

130

Conclusions

The methodology of the exergy analysis was applied to traditional and alterna-tive biodiesel production process with the irreversibilities of 73,700 MJ/h and 628,243 MJ/h respectively using a plant capacity of 80,000 Ton/year of biodiesel.

The homogeneous catalysts process is more efficient than with the heterogene-ous catalyst according to the results of exergy analysis

Agradecimientos: This work was supported by the Ibero-American Program on Science and

Technology for Development (CYTED) project 306RTO279 “New technologies for biofuels produc-tion” UNESCO codes 330303, 332205, 530603, 330999 and the Colombian Department of Science, Technology and Innovation COLCIENCIAS, projects CT 475-2007 and CT 272-2008.)

Referencias [1] C. Sit, C. Yuen, M. Ah and C., 2004, Cheng, Kinetic study on transesterification of palm oil,

Journal of Oil Palm Research, vol. 16, N° 2, p. 19-29. [2] S. Saka and E. Minami, 2006, Novel Non-catalytic Biodiesel Production Process by Super-

critical Methanol as NEDO (High Efficiency Bioenergy Conversion Project), 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment”, Bangkok, Thailand.

[3] C. Garcia, S. Teixeira, L., 2008, Marciniuk and U. Schuchardt, Transesterification of soy-bean oil catalyzed by sulfated zirconia, Bioresour. Technol, vol. 99, p. 6608–6613.

[4] I. Dincer and M. A. Rosen, 2007, Exergy, energy, environment and Sustainable Development, Elsevier, First Edition.

[5] R. U. Ayres and L. W. Ayres, 1999, Accounting for resources 2: the life cycle of materials. Edward Elgar Publishing Limited.

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AUTOFLOCULACIÓN DE Chlorella vulgaris PARA LA OBTEN-CIÓN DE ACEITE DE MICROALGAS CON FINES COMBUSTI-

BLES (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Alejandra Palomino1, Luz Marina Flórez P.2 y Jorge Enrique López G.1

1. Universidad del Valle, Cali, Escuela de Ingeniería Química, Grupo Interinstitucional de In-

vestigación en Biocombustibles, GRUBIOC, jorge.lopez@correounivalle.edu.co 2. Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Departamento de Energética y Mecánica, Grupo

Interinstitucional de Investigación en Biocombustibles, GRUBIOC, lmflorez@uao.edu.co Introducción El biodiesel es una alternativa a la situación actual debida al agotamiento de los combusti-bles fósiles, el incremento del precio del petróleo y dificultades ambientales causadas por los gases de invernadero. Las microalgas son una alternativa como fuente de aceites para la producción de biocombustibles, pero su rendimiento a las condiciones ambientales de Co-lombia ha sido poco estudiado. Uno de los problemas que tiene para su implementación, es su concentración. Por lo tanto, este trabajo tiene por objeto presentar los resultados de in-vestigación de la autofloculación de la microalga Chlorella vulgaris, método que tiene ventajas frente a otros como la centrifugación, sedimentación, la filtración y la ultrafiltra-ción. Materiales y Métodos 2.1 Cultivo: para el diseño de experimentos la microalga Chlorella vulgaris fue cultivada en medio basal Bold (1) en un recipiente de un 1L a temperatura ambiente y aireación a 1L/min. La iluminación en un ciclo de luz y oscuridad de 12 h, se proporcionó con lámpa-ras fluorescente. Al finalizar la fase exponencial las microalgas fueron cosechadas, a una concentración de 1.5 g/L. 2.2 Autofloculación: El proceso de autofloculación se llevó a cado a diferentes concentra-ciones iniciales de microalgas, según lo estipulado en el diseño experimental. Para obtener dichas concentraciones se diluyó la muestra original en agua destilada a volúmenes de 50 mL. Se adicionó soluciones 0.1M de hidróxido de sodio (NaOH) o ácido sulfúrico (H2SO4), hasta alcanzar el pH deseado, se agitó por 10 minutos a 80 rpm, en una plancha de agita-ción, posteriormente se tomó una muestra en celdas de 25 ml, y se midió la concentración inicial de sólidos en suspensión, se dejó en reposo por 30 minutos y se midió la concentra-ción final. 2.3 Diseño de Experimentos: después de la búsqueda bibliográfica y de los ensayos preli-minares se seleccionaron 2 variables de control. Estas fueron la concentración inicial de microalgas (entre 200 y 500 mg/L), por ser un factor clave para la implementación del proceso a escala industrial, ya que dependiendo del tipo del fotobioreactor, el cultivo de microalgas alcanza diferentes concentraciones y el pH (entre 4 y 8), factor determinante para generar cambios súbitos en el ambiente que rodea las células. Para la realización del modelo de optimización, se escogió un diseño central compuesto CCD ortogonal de dos factores, con dos variables de respuesta (sólidos en suspensión con un espectrofotómetro data-lógico portable HACH DR/2010, a una longitud de onda de 810 nm y rendimiento de

133

la sedimentación). En total, se realizaron 13 ensayos (cuatro del diseño factorial, cinco réplicas del punto central, mas cuatro puntos estrellas). Se realizó en la experimentación, primero los puntos referentes al diseño factorial 22 y los puntos centrales, en orden aleatorio para verificar el efecto de los factores, luego se realizó los puntos estrellas aleatoriamente. Al diseño experimental se le añadieron tres puntos más para apreciar mejor la superficie de respuesta y aumentar los grados de libertad del error. Con ayuda del software STAT-GRAPHIS Plus centurión XV se realizó el análisis del diseño experimental para medir la influencia de las variables sobre el rendimiento de sedimentación Resultados y discusión. Antes de realizar el ANOVA, las variables de operación se normalizaron entre -1 a 1 y las de respuesta de 0 a 1. De acuerdo con el diagrama de Pareto se encontró que el pH afecta el rendimiento de sedimentación, al contrario de la concentración inicial de microalgas que no tiene ninguna influencia, para un nivel de confianza del 95%. La disminución del pH, au-menta el porcentaje de sedimentación, en especial cuando el medio alcanza un pH entre 3y 2. En este punto las microalgas que inicialmente poseen carga negativa en su superficie, disminuyen a cero (2) debido al aumento de H+, por la adición de ácido sulfúrico, y aume-tan la probabilidad de que las células de las microalgas puedan interactuar entre sí, sin que haya energía de repulsión (observaciones hechas al microscopio). Este fenómeno se puede ver representado en la figura 1, donde se observa rendimientos de sedimentación del 80% a un pH de 2,5. A pH de 9 y 10 se observó un leve aumento(10%) del rendimiento de se-dimentación, debido principalmente a la presencia de iones ortofosfatos y de calcio en el medio de cultivo, que son suficientes para dar inicio a la autofloculación de las algas (3).

Rend

imie

nto

-1,5-1-0,500,511,5

[Co]

-2-1012 pH0

0,20,40,60,8

1

Figura 1. Superficie de repuesta estimada.

Conclusiones Este estudio mostró que el aprovechamiento más eficaz en el proceso de autofloculación para la recuperación de la microalga Chlorella vulgaris es el ajuste del pH (pH: 3) finalizando la etapa de crecimiento exponencial. Sin embargo, aunque el ajuste del pH de un gran volumen de cultivo de microalga podría ser costoso, el sulfato de aluminio y algunos electrolitos poli-catiónicos también lo requieren para obtener su máxima actividad.

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También tiene la ventaja que contario a los anteriores, reduce al mínimo los cambios gene-rados en el medio de cultivo. Agradecimientos:Los autores agradecen el soporte financiero dado al proyecto 2008D32273 por el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, la Universidad Autónoma de Occidente y la Universi-dad del Valle.

Referencias (1). Andersen, K. R. 2005. Experiments in microbiology, plant pathology and biotechnology. Four Edition. New Age International. 607 páginas (2) Geciova, J., Bury, D. & Jelen, P. 2002. Methods for disruption of microbial cells for potential use in the dairy industry--a review. International Dairy Journal, 12, 541-553. (3), Sukenik, A. & Shelef, G. 1984. Algal autoflocculation—verification and proposed mechanism. Biotechnology and Bioengineering, 26, 142-147.

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BIOFUEL PRODUCTION IN ENGINEERED MICROORGANISMS: ADVANCES AND RESEARCH NEEDS

(Biocombustibles y co-productos a partir de material lignocelulósico)

Johana Husserl, Ena Lucía Suárez Bolaños Universidad de los Andes, CIIA, Cr 1 Este No 19 A-40, jhusserl@uniandes.edu.co,

Introduction. Resulting from the increasing cost of oil, society has been shifting from an oil-based infrastructure to a more sustainable, renewable resource-based infrastructure. As part of the shift in technologies, research has been conducted that aims at the identification of organic molecules that can potentially serve as motor fuels. Addi-tionally, some microbial strains capable of producing such molecules and the bio-chemical pathways used by those trains have been identified. Several of the native strains capable of producing biofuels are inefficient, producing low yields in long periods of timea. To address the low efficiency of native microorganisms, resent research has focused on engineering microbial strains, which has resulted in better biofuel production yields in shorter periods of time. This review summarizes re-sent advances in microbial engineering aimed at producing biofuels from plant biomass and identifies future research needs. Methodology. To conduct this work several manuscripts that included review articles and techni-cal articles were considered. The articles selected for this review were chosen ba-sed on the topics described. Topics included (i) the microbial transformation of lignocellulosic biomass, (ii) the molecules that can be used as liquid fuel substi-tutes and microbes capable of producing them, (iii) pathways used by those strains to degrade lignocellulosic material or produce fuel-like molecules and the enzymes involved in the pathways, (iv) resent advances in genetic modification of host strains, and (v) efficiency of engineered strains in biofuel production. Results and discussion. Enzymatic cellulose degradation is commonly performed using the cellulase en-zyme from the fungal genera Trichoderma. However, large-scale biofuel produc-tion requires a more efficient approach that utilizes more effective enzymes. Resent studies that investigated the initial microbial transformation of lignocellulosic ma-terial identified several thermophilic strains capable of degrading plant material without pretreatmenta,b. Although these studies provided new insights on the mi-crobial transformation lignocellosic biomass, the initial degradation of this material remains one of the bottlenecks for the efficient production of biofuels. Several microbially produced molecules that can be used as liquid fuel substitutes were identified. These molecules include ethanol, isobutanolc, n-butanold, and other

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alcohols, and fatty acids, which can be later transformed to alkanes and alkenese. Although these potential fuel substitutes are not produced at high yields in native species, the pathways involved in the production of such molecules are somewhat well understood. This information was successfully used to engineer cells that can produce high-energy molecules from glucose such as isobutanolf and fatty acidsg with higher titers at almost 100 % the theoretical yield. However, there are still many limitations, and optimization of the biological systems is still a work in pro-gress. A better understanding of the biologically based reactions is necessary to optimize the production of these molecules in larger scales. Conclusions. Resent advances in biofuel research have set a new ground for the development of new technologies based on the genetic modification of microbial strains for the production of potential liquid fuel substitutes. We are now faced with the possibili-ty of producing alcohols and fatty acids at higher yields in biological reactors using glucose as a substrate, and resent research has provided new insights on the unders-tanding of the initial conversion of lingnocellulosic material to sugars. Nonetheless, several questions regarding the microbial transformation of untreated plant material remain unanswered and a further understanding of the processes involved is requi-red to obtain the expected biofuel yields at lower costs. References.

a. Yang SJ, Kataeva I, Hamilton-Brehm SD, Engle NL, Tschaplinski TJ, Doeppke C, Davis M, Westpheling J, Adams MW., (2009). Efficient degradation of lignocellulosic plant biomass, without pretreatment, by the thermophilic anaerobe "Anaerocellum thermophilum" DSM 6725. Appl Environ Microbiol. Volume 75, Issue 14, Pages 4762-4769.

b. Sizova MV, Izquierdo JA, Panikov NS, Lynd LR., (2011). Cellulose- and xylan-degrading thermophilic anaerobic bacteria from biocompost. Appl Environ Microbiol. Volume 77, Is-sue 7, Pages 2282-2291

c. Jordan T McEwen, Shota Atsumi (2012). Current Opinion in Biotechnology. In press. http://dx.doi.org/10.1016/j.copbio.2011.12.019

d. Bond-Watts BB, Bellerose RJ, Chang MC (2011). Enzyme mechanism as a kinetic control element for designing synthetic biofuel pathways. Nat Chem Biol., Volume 7, Issue 4, Pages 222-227

e. Lawrence P Wackett, (2011). Engineeringmicrobes to producebiofuels. Current Opinion in Biotechnology. Volume 22, Issue 3, Pages 388–393

f. Cong T. Trinh, Johnny Li, Harvey W. Blanch and Douglas S. Clark (2011), Redesigning Es-cherichia coli Metabolism for Anaerobic Production of Isobutanol. Appl. Environ. Micro-biol. vol. 77 no. 14, p 4894-4904

g. Liu T, Vora H, Khosla C.,(2010). Quantitative analysis and engineering of fatty acid bio-synthesis in E. coli. Metab Eng. Volume12, Issue 4, Pages 378-386

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ANALYSIS OF THE EFFECTS OF CARBON DIOXIDE CONCEN-TRATION IN MICROALGAE GENE EXPRESSION REGULATION,

BIOMASS ACCUMULATION AND METABOLIC NETWORKS (Microalgae biotechnology)

Flavia Vischi Winck1,2, Rossmary Jay Pang Moncada1, Ruben Dario Lopez Parra1,

Bernd Mueller-Roeber2, Andrés Fernando González Barrios1.

1 Group of Products and Process Design, Department of Chemical engineering, Universidad de los Andes; Cra 1 Nº 18A- 12, Bogotá, Colombia.

2 GoFORSYS Research Unit for Systems Biology, Max-Planck Institute of Molecular Plant Physiolo-gy, Am Mühlenberg 1, Potsdam-Golm, Germany

Introduction The increase of air emissions originated from the burning of fossil fuels and the expected decrease in fossil resources have been an issue of world impact and socio-economic importance. According to previous reports, the carbon emissions in Co-lombia increased from 66.4 to more than 120 Million tons per year in the period between 1996 and 2010. The accumulation of air emissions derived from the bur-ning of fossil fuels and industrial activities may affect the biodiversity, geographi-cal distribution of species, seasonal timing and overall climate change. It is then important to contribute in finding and optimizing the use of alternative energy sources with a lower net gas emission and to accelerate the development of envi-ronmentally friendly technologies. Algae-based technologies of bioremediation coupled to biomass production are alternative strategies for reducing levels of air contaminants and creating new sources of renewable biomass which can be used for energy production, e.g., biofuels, or for the accumulation of other by-products, e.g., pigments. However, there are still limitations in the efficiency of biomass production. The biomass accumulation in microalgae is influenced, among other factors, by the availability of carbon dioxide and culture conditions. Changes on these parameters may result in more or less biomass yield. Under conditions of air-level carbon dioxide (CO2) concentration a Carbon Concentrating Mechanism (CCM) is induced to facilitate cellular carbon uptake. The CCM increases the avai-lability of carbon dioxide at the site of cellular carbon fixation, increasing photo-synthetic rates. However, how CCM is controlled at the transcriptional level is not well understood and so far only a few transcriptional regulators have been identi-fied. Furthermore, the effects of increased CO2 concentration in the biomass accu-mulation have not been completely characterized at the transcriptional and metabo-lic level. The investigation of these cellular responses may uncover the identity of important pathways and reveal new target genes to further metabolic engineering. In our present work, we analysed the effects of varying concentrations of carbon dioxide in the cellular responses of the photosynthetic unicellular green alga Chla-

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mydomonas reinhardtii, which is a model organism for the study of photosynthesis and mechanisms related to carbon metabolism. In the present work we describe the analysis of transcription factor profiling and the identification of genomic regulato-ry elements of Chlamydomonas cells under low CO2 conditions. Moreover, we have started the analysis of the effects of high CO2 concentration in the biomass accumulation and in the metabolic network of Chlamydomonas and Chlorella, revealing new target genes responsive to changes in the CO2 concentration. Material and methods In order to improve our understanding of the transcriptional control of the CCM, we performed the sequencing of nucleosome-depleted chromatin regions by FAIRE-seq (Formaldehyde-assisted Isolation of Regulatory Elements followed by deep sequencing) of cells under carbon deprivation. The gene expression profiles for more than one hundred transcription regulatory genes were monitored in time series experiments under conditions of changes in carbon dioxide concentration (5% CO2 to 0.04% CO2) using quantitative reverse-transcription PCR (RT-qPCR) and a gene regulatory network was reconstructed. We have also started to investi-gate the effects of high CO2 concentration in the biomass accumulation in the mi-croalgae Chlamydomonas reinhardtii and Chlorella vulgaris. The biomass of cells cultivated in photoautotrophic conditions has been characterized at CO2 concentra-tions of 0.04% and 5%. Furthermore, metabolic flux analysis is been carried out based on objective functions previously described combined with the experimental data.

Results and Discussion Our results from FAIRE-seq approach revealed new candidate regulatory elements at a genome-wide level. It was detected that there is a higher probability to find a nucleosome-depleted region in the genome close to a differentially expressed gene, and most of these regions are within the first 1000bp away from the 3´or 5´end of an annotated transcript. In addition, the expression profile of genes responsive to low CO2 concentration were obtained and an analysis of their gene promoter motifs revealed groups of genes likely to be co-regulated. The reconstructed gene regula-tory network provided new insights into the regulation of the cellular responses at the transcriptional level, predicting the regulatory interaction for more than one hundred transcription regulatory genes. Our initial results on cell culture of Chlo-rella under low and high CO2 concentrations have shown that, that at high CO2 concentrations, the rate of cell growth increases. The biomass of these cells is now been characterized. All experimental results are being integrated into a flux balance model of their metabolic networks, which will aid in identifying key pathways in biomass production.

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Conclusion The effects of varying CO2 concentrations in the microalgae growth can affect the biomass production and the increase in the CO2 favor the cell growth. However, in most of the photosynthetic microalga the Carbon Concentrating Mechanism can keep photosynthetic rates even in low CO2 conditions. The understanding of the cellular responses under varying CO2 concentrations will reveal key pathways in-volved in biomass production, which could be modified for an enhanced biomass production.

Acknowledgments We thank the BMBF for funding the GoFORSYS Research Unit for Systems Biology (Go-FORSYS-Potsdam Golm BMBF Forschungseinrichtung zur Systembiologie .Photosynthesis and Growth: A Systems Biology Based Approach, FKZ 0313924). FVW thanks Liliya Yaneva-Roder from the MPI-MP for technical assistance. We thank Univer-sidad de los Andes for financial support.

References Winck, F. V. (2011) Nuclear proteomics and transcription factor profiling in Chlamydomonas reinhardtii, In Biology and Biochemistry 1 ed., p 182, Universitaet Potsdam, Potsdam. (http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5390/pdf/winck_fv_diss.pdf)

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ESTUDIO DEL CRECIMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE LA MICROALGA Scendemus sp. CULTIVADA EN TANQUES PARA

PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas

Ríos, L. F.1, Martínez, E.L1., Luz Jr, L. F.2, Hernández, N. L. P. 1, Filho, R.

Maciel 1 y Wolf Maciel, M. R. 1

1. Universidad Estadual de Campinas, Facultad de Ingeniería Química, LOPCA/LDPS, Av. Albert Einstein, 500. Campinas, SP – Brasil.- luiferi@feq.unicamp.br

2. Universidad Federal del Paraná, Sector de Tecnología, Departamento de Ingeniería Química. Jar-dim das Américas. Curitiba, PR - Brasil

Introducción En la actualidad, la destrucción ambiental debido a la exploración desmedida de los recursos no renovables, el calentamiento global, la contaminación del suelo, agua y aire causado principalmente por la globalización y crecimiento tecnológico acele-rado, han llevado al desarrollo de diversos combustibles y fuentes de energía nom-bradas renovables que sean capaces de mantener y/o superar la eficiencia de los hidrocarburos fósiles. De esta forma, tecnologías han sido desarrolladas con el objetivo de preservar el medio ambiente usando recursos naturales no contaminan-tes. El biodiesel es un combustible biodegradable que puede ser producido a partir de grasas animales, aceites vegetales y biomasa. Las microalgas, se han convertido en una materia prima interesante, debido a varias ventajas, entre las cuales alta tasa fotosintética, alta producción de biomasa y rápido crecimiento comparado con otras materias prima a. En este trabajo, se estudio el crecimiento de la microalga scendemus sp. a la intemperie para la producción de biodiesel. Después de alcanzar su mayor crecimiento, los lípidos fueron extraídos por medio de solventes y carac-terizados.

Materiales y Métodos El crecimiento de la microalga scendemus sp, se hizo por aumento progresivo de volumen del medio de cultivo, partiendo de galones de 20 L, pasando a 200 L y por último se aumento el volumen hasta tanques de 500 L. Se trabajaron dos medios diferentes de cultivo, un medio rico en nitratos, fosfatos, metales y vitaminas y el otro, un medio agrícola compuesto por fosfato agrícola, urea y vitaminas. El estu-dio de crecimiento se realizó mediante medición de la concentración celular. La biomasa fue centrifugada del medio y secada. La extracción de los lípidos fue rea-lizada por medio de una mezcla de solventes, consiguiendo separar las fases. El análisis y caracterización de los ácidos grasos presentes en la microalga, fueron detectados vía cromatografía gaseosa.

141

Resultados y discusión La Figura 1, muestra el crecimiento de la microalga scendemus sp, cultivada en tanques de 200 L y 500 L. El análisis de ácidos grasos de la microalga crecida en tanques a la intemperie mostro una composición mayoritaria de acido palmítico de 45,27% y ácido mirístico con un porcentaje de 30,27% y en menores porcentajes otros ácidos grasos.

Figura 1. Crecimiento de la microalga scendemus sp.

Conclusiones Se estudió el crecimiento a la intemperie de la microalga scendemus sp, obteniendo su máxima producción en 11 días. El medio más eficiente para obtener un mayor crecimiento celular, fue el medio agrícola y en tanques de 500 L. Se llego a resul-tados de 1.800.000 células/ml. La caracterización de la microalga mostró una com-posición de ácidos grasos similares a una mezcla de aceite de coco y aceite de pal-ma, con esto, podemos concluir que es posible que el biodiesel producido con estas microalgas tenga un comportamiento similar al producido con aceite de palma, ya que sus características son parecidas.

Agradecimientos A CAPES por el financiamiento del proyecto Pró-Engenharias y al grupo integrado de aquicultura y medio ambiente (GIA).

Referencias a. Mata, T., A. Martins, y N. Caetano. «Microalgae for biodiesel production and other applications: A review.» Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010: 217-232.

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AISLAMIENTO DE MICROALGAS DE LA DIVISIÓN CHLOROPHYTA CON POTENCIAL EN LA PRODUCCIÓN DE

LÍPIDOS PARA OBTENER BIOCOMBUSTIBLES (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Denis Lorena Jaimes Duarte1, Wilder Soler Mendoza1, Josman Velasco Men-

doza1, Yaneth Muñoz Peñaloza1, Néstor Andrés Urbina Suárez2

1. Universidad Francisco de Paula Santander, SIMBI, Avenida Gran Colombia No. 12E-96B Colsag.

San José de Cúcuta, sinbiufps@gmail.com 2. Universidad Francisco de Paula Santander, Ambiente y vida, Avenida Gran Colombia No. 12E-

96B Colsag. San José de Cúcuta, andres130583@gmail.com Introducción En la actualidad la búsqueda de nuevas alternativas para satisfacer la demanda del consumo energético a nivel mundial y que a su vez contribuyan con el desarrollo sostenible solucionando problemas ambientales, como las concentraciones de CO2 y gases de efecto invernadero presente en la atmosfera, y la contaminación de la flora y la fauna, es una prioridad para las instituciones y sectores productivos en nuestro país. Las microalgas tiene la capacidad de generar diferentes metabolitos secundarios al igual que la concentración y acumulación de compuestos de interés comercial como proteínas, lípidos, almidón, glicerol y pigmentos entre otros En este trabajo se presentan los resultados de la primera etapa de un proyecto macro que incluye el aislamiento de las microalgas y su posterior cultivo para la produc-ción de lípidos bajo diferentes medios y condiciones de cultivo. Materiales y métodos Se aisló microalgas a partir de la recolección de muestras en habitas que presenta-ron características tales como un alto contenido nitrógeno y materia orgánica. Las microalgas aisladas de las muestras recolectadas, se analizaron y se realizó una selección de las microalgas pertenecientes a la división Chlorophyta mediante la morfología y fisiología microscópica, y el empleo de medios de cultivo selectivos (Perales, 2007). Para la fase de purificación se utilizó estreptomicina y penicilina como antibiótico, aplicándose en cuatro diferentes concentraciones, en el medio PCG + glucosa. (Urbina, 2010). Se realizaron cultivos autotróficos en lote y utili-zando el medio de cultivo PCG y medios de aguas residuales domesticas. En la fase de acondicionamiento se realizaron cultivos en fotobiorreactores de 1L, las condiciones fueron: Intensidad lumínica de 200 μmoles / m2*s, temperatura de 30 ºC, pH de 7-5 a 8-5 y aireación de 1 v.v.m. El tiempo de operación fue de 30 días y se realizó seguimiento de biomasa y al final del proceso se realizó la medición de lípidos totales. Se midió nitrógeno por el método de Brusina (APHA, AWWA, WPFC, 1992) y lípidos por el método de Bligh & Dyer (1959)

143

Resultados y Discusión Se aislaron 8 cepas de las cuales se han evaluado 2 cepas CHL1 y SCE1. Se realizó una caracterización fisicoquímica de las aguas recolectadas en cada punto de asi-lamiento, los resultados se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Caracterización fisicoquímica de los puntos de muestreo

ACIDEZ mg/L

ALCALINIDAD mg/L

DUREZA mg/L

pH DQO mg/L

NO3 mg/L

PO4 mg/L

T ºC

R1 13 8.8 375 7.6 564.53 88.4 35 27 R2 20 6.5 390 7.3 452.31 65.7 32 26.8

La figura 1 se muestra el comportamiento de la biomasa y el consumo de nitró-

geno en las cinéticas realizadas

Figura 1. Cultivo autotrófico en medio PCG. Comportamiento de la biomasa (círculos) consumo de

nitrógeno (cuadrados). A. Cepa CHL1 B. Cepa SCE1 Urbina (2010) y otros autores (Contreras-Florez et al., 2003; Ugwu et al., 2008) han reportado que uno de los factores en la limitación de crecimiento de microalgas de la división Chlorophyta es la concentración de nitrógeno el medio, como se observa en la figura 1, en este trabajo se presentaron resultados similares a los re-portados en literatura. En la tabla 2 se presentan la concentración máxima de bio-masa, el porcentaje de lípidos y la velocidad de crecimiento.

Tabla 2. Concentración de biomasa, lípidos y velocidad de crecimiento

CEPA [ ]max X g/L (DW)

Lípidos totales % µ h-1

CHL1 1.11 27 0.18 SCE1 1.3 32 0.15

Conclusiones Las cepas CHL1 y SCE1 han resultado promisorias para producir lípidos con po-tencial uso para biocombustibles, actualmente se están evaluando diferentes condi-ciones de cultivo para aumentar el porcentaje de lípidos.

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Agradecimientos Al FINU-UFPS por la financiación del proyecto Referencias.

a. Perales-Vela, H., González-Moreno, S., Montes-Horcasitas, M. C., Cañizares-Villanueva, R. O. (2007). Growth photosynthetic and respiratory responses to sub-lethal copper concentrations in Sce-nedesmus incrasatulus (Clorophyceae). Chemosphere. 67: 2274 - 2281.

b. Urbina N. (2010). Establecimiento del cultivo mixotrófico de scenedesmus incrassatulus para la producción de carotenoides en un fotobiorreactor multitubular. Tesis de maestría. Centro de In-vestigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional. Unidad Zacatenco, departa-mento de Biotecnología y Bioingeniería. México.

c. 13. APHA-AWWA-WPCF. (1992) Standard Methods for Examination of Water and Wastewa-ter.

d. Bligh, E. G. & Dyer, W. J. (1959). A rapid method of total lipid extraction and purification. Can. J. Biochem. Physiol. 37, 911-917.

e. 17. Contreras-Flores, C., Peña-Castro, J.M., Flores-Cotera, L.B. y Cañizares-Villanueva R.O. (2003). Avances en el diseño conceptual de fotobiorreactores para el cultivo de microalgas. Intercien-cia. 28: 450-456.

f. 18. Ugwu. C.U., Aoyagi H. y Uchiyama H. (2008). Photobioreactors for mass cultivation of al-gae. Bioresour. Technol. 99:4021-4028.

145

APROVECHAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS A PARTIR DE LA MICRO-

ALGA Chlorella sp. (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Jazmín Vanessa Pérez Pazos1, Pablo Fernández Izquierdo1

1. Universidad de Nariño, Grupo de Investigación Biotecnología Microbiana, Cll18, Cra 48

Torobajo. jazminvperez@gmail.com, pabfdez@gmail.com

Introducción Los lípidos son metabolitos de gran interés en la actualidad, entre estos, los ácidos grasos presentan diversas aplicaciones, en farmacéutica, cosmetología, nutrición y pueden esterificarse para producir hidrocarburos útiles como biocombustibles (Gonzales, 2000; Villanueva, 2005). La materia prima utilizada para la producción de lípidos son los vegetales, (Al-Zuhair, 2007; Li et al., 2008; Meng et al., 2009), sin embargo, se presentan varios inconvenientes (Chisti, 2007; Dismukes et al., 2008). En consecuencia, se ha planteado una alternativa prometedora que es la obtención de lípidos a partir de la producción masiva de microalgas (Derner et al., 2006; Chinnasamy et al., 2009; Drekeke et al., 2010; Mata et al., 2010). Sin em-bargo, aún se enfrentan grandes dificultades para alcanzar una producción a escala comercial, rentable y sostenible, de allí que uno de los grandes retos sea la búsque-da de estrategias de cultivo efectivas. Entre dichas estrategias, se destacan el uso de aguas residuales (Garibay et al., 2009) que presentan un alto contenido de nutrien-tes como nitrógeno y fósforo que son esenciales para el crecimiento de microalgas, las cuales son capaces de remover cantidades apreciables de estos nutrientes e in-corporarlos a la biomasa la cual presenta un alto valor comercial (Garibay et al., 2009). Teniendo en cuenta lo anterior el objetivo de esta investigación fue alcanzar la mayor producción de biomasa y de lípidos en la microalga Chlorella sp., utili-zando aguas residuales domésticas suplementadas con algunos nutrientes esencia-les.

Materiales y metodos La microalga Chlorella sp., BioVeg-F007 fue cultivada en fotobiorreactores de columna de burbujeo. Se realizó un diseño factorial 23, en donde los tres factores a evaluar y sus niveles son, nitrógeno (NaNO3: 0.75gL-1 y 2,25g L-1), fósforo (K2HPO4: 0.03g L-1 y 0.05g L-1), y Solución Férrica (0.1mL.L-1 y10mL.L-1 ). El inoculo de la microalga fue al 10%; densidad celular ajustada a 0.1 de absorbancia, las condiciones de fermentación fueron: temperatura de 20°C, aireación constante en una proporción de 0.5VVM, CO2 atmosférico, Luz blanca y fotoperiodo 12:12. Como variables respuesta se establecieron, el crecimiento medido como densidad

146

óptica a 750nm y posteriormente expresado en valores de gL-1 y la producción de lípidos extraídos por el método soxhlet y expresados finalmente en valores de gL-1. Resultados y discusión En el gráfico de Cubo (Figura 1) se observa el resultado de todas las interacciones que están presentes en el experimento y se puede deducir que el valor más alto para el crecimiento es de 0,489546gL-1, valor que se ubica en la esquina superior iz-quierda del cubo, esta esquina corresponde en el eje X al nivel -1,0 del factor nitró-geno (0.75g.L-1), en el eje Y al nivel -1,0 del factor fósforo (0.05g.L-1) y en el eje Z al nivel 1,0 del factor hierro (10mL.L-1), lo que nos da una idea del mejor trata-miento resultante del diseño.

NITROGENO

FOSFORO

HIE

RR

O

-1,01,0

-1,0

1,0-1,0

1,0

0,430130,351963

0,4112960,42363

0,4895460,41138

0,4707130,483046

Figura 1. Grafico de Cubo que muestra los valores de biomasa (gL-1) obtenidos en los diferentes

tratamientos del diseño factorial 23 Para el caso de la producción de lípidos se encontró que el tratamiento que presenta los mejores valores de biomasa presenta una productividad lipidica de 0,07gL-1 (Figura 2), sin embargo cuando la concentración de hierro se encuentra en su nivel más bajo se alcanzan los valores más altos de lípidos cerca de 0,13gL-1 (Figura 2), lo que sugiere que la disponibilidad de hierro presenta un efecto significativo en la producción de lípidos.

Figura 2. Producción de lípidos a partir de la microalga Chlorella sp, suplementada con algunos

nutrientes.

147

Conclusiones El agua residual suplementada con nutrientes esenciales puede ser considerada como una fuente hídrica promisoria para la obtención de lípidos a partir de la mi-croalga Chlorella sp. Se obtuvo que un medio de cultivo óptimo que promueve el crecimiento de la mi-croalga Chlorella sp., con aguas residuales de la ciudad de San Juan de Pasto se obtiene suplementando una muy baja cantidad de nitrógeno y fósforo mientras que el hierro es un nutriente que debe ser adicionado en mayor cantidad. La mejor producción de lípidos a partir de microalgas se obtiene cuando en el me-dio de cultivo el hierro de encuentra en bajas cantidades. Agradecimientos A la Universidad de Nariño y al Grupo de Biotecnología Microbiana por haber hecho posible el desarrollo de esta investigación.

Referencias Al-Zuhair, S. (2007). Production of biodiesel: possibilities and challenges. Biofuel Bioprod Bior BIOFPR. 1, (1): 1-9 Chinnasamy, S.; Ramakrishnan, B.; Bhatnagar, A. & Das, K. C. (2009). Biomass Production Potential of a Wastewater Alga Chlorella vulgaris ARC 1 under Elevated Levels of CO2 and Temperature. Int J Mol Sciences. 10: 518-532. Chisti, Y. (2007). Biodiesel from Microalgae. Biotechnol Advances, 25: 294 – 306. Drekeke I. G.; Du, G. & Chen, J. (2010). Poultry manure digestate enhancement of Chlorella vulgaris biomass under mixotrophic condition for biofuel production. Journal of Microbial & Biochemical Technology, 2 (2): 051-057. Derner, R. B.; Ohse, S.; Villela, M.; Matos de Carvalho, S. & Fett, Roseane. (2006). Microalgas, produtos e aplicacóes. Ciencia Rural, Santa María. 36 (6): 1959-1967. Dismukes, G. C.; Carrieri, D.; Bennette, N.; Ananyev, G. M. & Posewitz, M. C. (2008). Aquatic phototrophs: efficient alternatives to land-based crops for biofuels. Current Opinion in Biotechnology, 19:235–240. Garibay, A.; Vázquez, R.; Sánchez, M. P.; Serrano, L. & Martínez, A. (2009). Biodiesel a Partir de Microalgas. Revista BioTecnología. 13 (3). Sociedad Mexicana de Biotecnología y Bioingenieria. González, Juan Manuel. (2000). Curso de Biomoléculas. University of the Basque Country National Research Council of Spain. Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC. Li Q.; Du, W. & Liu D. (2008). Perspectives of microbial oils for biodiesel production. Applied Mi-crobiology Biotechnology 80:749–756. Mata, T.M.; Martins, A. A. & Caetano, N. S. (2010). Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 14: 217–232. Meng, Y. J.; Xu, Z. L.; Nie, Q. & Xian, M. (2009). Biodiesel production from oleaginous microorga-nisms. Renewable Energy. 34: 1-5. Villanueva, Laura. (2005). Ecophysiological and molecular characterization of estuarine microbial mats. Tesis doctoral para la obtencion del titulo Doctor en Biología. Universidad de Barcelona. Facul-tad de Biología. Departamento de Microbiología. España.

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BIOSÓLIDOS: UNA FUENTE ALTERNATIVA DE MACRONUTRI-ENTES (NO3-, NO3-N, P2O5 Y K) Y MICRONUTRIENTES PARA EL CULTIVO DE MICROALGAS DESTINADAS A LA PRODUCCIÓN

DE BIODIESEL

(Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Godfrey Idrobo L1,3, y V. Galeano Arango 2, Luz M. Flórez1

1. Universidad Autónoma de Occidente, grupo de investigación en Biocombustibles, Cll25# 115-85 Km.2 Vía Cali-Jamundí. PBX: (057) (2) 3188000 Ext 11879 y godfreyidro-

bo@gmail.com, gidrogo@uao.edu.co 2. Universidad Autónoma de Occidente, Facultad de Ciencias Básicas, Administración del Medio

Ambiente y de los Recursos Naturales 3. Universidad del Valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Biología.

Introducción El uso de microalgas como fuente promisoria de materias primas renovables pa-

ra la producción de biocombustibles está ampliamente reportado. Debido a su ca-pacidad de crecimiento autotrófico los combustibles producidos a partir de micro-algas pueden tener un balance de CO2 positivo para el medio ambiente en compa-ración con los combustibles de origen fósil. Sin embargo la consolidación de una industria a gran escala que pueda reemplazar tan solo parcialmente los combusti-bles de origen fósil requeriría de ingentes cantidades de nitrógenoa, fósforo, pota-sioa y en menor medida requeriría metales como zinc, cobre, hierro, molibdeno, cobalto, etc., los cuales actúan como co-factores enzimáticos del metabolismo cen-tral de las microalgas. Por ejemplo, la producción de 1 litro de biodiesel requiere entre 0,23-1,55 Kg de Nb-c, dependiendo de la especie de microalga y de las condi-ciones de cultivo (según las condiciones de cultivo desarrolladas por nuestro grupo en el mejor de los escenarios se requieren 0,2 Kg de NaNO3 para lograr un litro de biodiesel a partir de Chlorella vulgaris CVL1 con un contenido de lípidos totales del 36,5%). Queda de manifiesto que los biocombustibles de microalgas podrán ser CO2 cero, pero no nitrógeno cero. El objetivo de este trabajo fue evaluar el crecimiento de la microalga C. vulgaris CVL1 utilizando como única fuente de nitrógeno el NO3-N y el NO3- presente en los biosólidos generados en una planta de tratamiento de agua residual (PTAR).

Materiales y Métodos,

Material biológico: microalga Chlorella vulgaris CVL1 adquirida en departamento de Acuicultura del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) de Méjico. Medio de cultivo: se utilizó el medio BBM para la producción de inoculo y una modificación del mismo donde se reemplazó la fuente de NO3 por el NO3-, NO3-N asociado a biosólidos. Cuantificación de la biomasa:

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fue realizada mediante gravimetría de la biomasa previamente secada entre 90 -100 °C hasta peso constante. Se reporta como peso seco directo en g/l. Sistema de culti-vo: el cultivo se llevo a cabo en fotobioreactores de columna agitados por burbujeo, fotoperiodo 12:12, inyección de aire con concentración variable de CO2 entre 400-1000 ppm. Extracción y determinación ácidos grasos: la extracción de lípidos tota-les fue realizada mediante el método de Bligh & Dyer (1959) y la determinación de ácidos grasos mediante cromatografía de capa fina (TLC por sus siglas en ingles). Determinación de azúcares: mediante cromatografía liquidad de alta resolución (HPLC por sus siglas en ingles).

Resultados y discusión, La microalga verde C. vulgaris CVL1 creció usando como única fuente

de nitrógeno el NO3-, NO3-N presente en los biosólidos. La remoción de nitra-tos y fosfatos fue >91% al cabo de 120h, lo cual no muestra diferencia sig-nificativa en la remoción del NaNO3 comercial del Medio Basal de Bold (BBM). Se produjo 2,6 veces la biomasa de partida, lo cual fue significati-vamente superior al control negativo en la cual no se suministro nitrógeno proveniente de biosólidos. Los resultados combinados de la evolución de oxigeno y de determinación de azúcares mediante cromatografía liquida de alta resolución muestran que el incremento en biomasa fue debido a la fija-ción de CO2. Este es el primer reporte del uso de biosólidos para el cultivo de microalgas para producir biodiesel y muestra que esta puede ser una fuente de macronutrientes y micronutrientes para la industria de las microal-gas destinadas a biocombustibles y sus co-productos.

Conclusiones,

La microalga verde C. vulgaris CVL1 puede crecer usando como única fuente de nitrógeno el NO3-, NO3-N presente en los biosólidos. Las mediciones de la evolución de oxigeno muestras que las microalgas fijaron CO2 hasta el último día del experimento. El eventual uso de biosólidos para la nutrición de microalgas destinadas a la producción de biodiesel y co-productos potencialmente disminuiría los costos de producción y generaría impactos positivos en el medio am-biente.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo a este trabajo al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia y a la Universidad Autónoma de Occidente a través de la concesión del proyecto 2008D32273-6569.

Referencias a. Yi-Xin Huo, David G Wernick and James C Liao. 2011. Toward nitrogen neutral biofuel pro-

duction Current Opinion in Biotechnology, 23:1–8.

150

b. Ron Pate, Geoff Klise, Ben Wu. 2011. Resource demand implications for US algae biofuels production scale-up. Applied Energy 88 3377–3388.

c. Christine Rösch, Johannes Skarka, Nadja Wegerer. 2012. Materials flow modeling of nutrient recycling in biodiesel production from microalgae. Bioresour Technol;107:191-9.

151

BIOMASA DE MICROALGA NATIVA COLOMBIANA PARA BIO-COMBUSTIBLES CON BALANCE DE CO2 Y HUELLA HÍDRICA

POSITIVOS

(Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Godfrey Idrobo L1,3, Natalia L. Castro Miller2, Claudia I. Lesmes Narváez, Laura M. Gómez Bedoya, Hugo A. España Jiménez, Luz M. Flórez Pardo1

1. Universidad Autónoma de Occidente, grupo de investigación en Biocombustibles,

Cll25# 115-85 Km.2 Vía Cali-Jamundí. PBX: (057) (2) 3188000 Ext 11879, godfreyidro-bo@gmail.com, gidrogo@uao.edu.co

2. Universidad Autónoma de Occidente, Facultad de Ingenierías, Ingeniería Ambiental. 3. Universidad del Valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Biología.

Introducción El cultivo de microalgas ha recibido importante atención en proyectos de investi-gación y desarrollo en diversas latitudes de la Tierra, debido a su potencial uso como materia prima para la producción de biodiesel y bioetanol. A pesar de los promisorios y alentadores resultados a escala de laboratorio la aplicación industrial de las microalgas para biocombustibles debe hacer frente a varios cuellos de botella para la aparición de la primera planta industrial o biorefinería viable de biocombus-tibles y co-productos. Ante la abundante literatura disponible sobre el porcentaje de lípidos totales presentes en microalgas, uno de los principales cuellos de botella queda eclipsado: el origen de los nutrientes es de origen fósil o mineral no renova-blea,b,c. La ingente demanda de N, P, K y agua generaría una huella hídrica y de carbono que haría insostenibles los combustibles por el peso en los costos de pro-ducción, el eventual peso sobre el precio de los alimentos y los impactos ambienta-les negativos. El presente trabajo propone un cambio de paradigmas encaminado a resolver el cuello de botella representado por la huella hídrica y la demanda de nutrientes de la industria naciente de las microalgas con fines de producción de biocombustibles, mediante el uso de una microalga nativa colombiana aclimatada a las condiciones ambientales del trópico cultivada en un medio de cultivo formulado que no requiere nutrientes de origen fósil ni utiliza agua disponible para la agricul-tura. Materiales y Métodos, Material biológico: microalga nativa colombiana CM1 perteneciente al orden Chlorellales aislada por Idrobo et alb. en el Valle del Cauca. Medio de cultivo: se probaron dos medios, a saber Sorokin & Krauss 1956 (S&K) y el medio Basal de Bold 1959 (BBM), para determinar el mejor medio con el cual se estableció el control positivo del experimento. La determinación de la biomasa producida fue

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realizada mediante el análisis de regresión y correlación de los datos de Abs a 760nm de diferentes concentraciones de biomasa conocidas (por gravimetría de biomasa previamente secada entre 90 -100 °C hasta pesos constante). Sistema de cultivo: el cultivo se llevo a cabo en fotobioreactores de columna agitados por bur-bujeo, fotoperiodo 12:12, inyección de aire con concentración variable de CO2 entre 400-1000 ppm operando en semi-continuo. Pretratamiento, extracción y de-terminación ácidos grasos: se aplicaron tres (3) métodos de disrupción celular como pre-tratamiento para mejorar la extracción de lípidos totales: agitación con perlas, autoclave y microondase, la extracción se realizó mediante el método de Bligh & Dyer (1959) f. y la determinación de ácidos grasos mediante cromatografía de capa fina (TLC por sus siglas en ingles).

Resultados y discusión La microalga CM1 aislada en el trópico (Valle del Cauca) produjo una mayor con-centración de biomasa y lípidos totales en el medio S&K 1956. En la figura 1 se observa que la concentración final de biomasa algal fue 27% superior a la alcanza-da en el medio BBM. Lo anterior deja de manifiesto que existen particularidades nutricionales cepa específica que favorecen el crecimiento de forma diferencial de las microalgas.

Figura 1. Producción de biomasa de la microalga CM1 en los medios Sorokin & Krauss 1956 (S&K)

y el medio Basal de Bold 1959 (BBM). Una generalización de este comportamiento tiene grandes implicaciones en el desa-rrollo de la industria de los biocombustibles debido a que pocas investigaciones van dirigidas a la formulación de medios de cultivo con un balance adecuado de nutrientes específico de cada cepa. Por otra parte la cinética de crecimiento del cultivo mostró un aumento de la bio-masa por unidad de tiempo que se ajusta a un crecimiento exponencial durante las primeras 240 horas de cultivo, con tasa específicas de crecimiento tan altas como 0,28 d-1, esto es significativo teniendo en cuenta que los reactores agitados por burbujeo estaban operando en semi-continuo y sin control de temperatura ni pH. La

153

extracción de la biomasa algal mediante el método de Bligh & Dyer (1959) presen-to diferencias significativas dependientes de la aplicación de pre-tratamiento. Lo cual demuestra que la aplicación de un pre-tratamiento favorece la extracción de lípidos totales. El mejor método fue el de aplicación de alta temperatura (121°C) y alta presión (1,5atm), sin embargo este no presento diferencias significativas frente al método de microondas. Estos resultados muestran que la microalga CM1 por su tasa de crecimiento y con-centración de lípidos totales es promisoria para la producción de biomasa destinada a la producción de lípidos y co-productos con un balance positivo de CO2 y de agua. Conclusiones Existen requerimientos nutricionales específicos de la cepa CM1 que son mejor cubiertos por el medio S&K que por el medio BBM. Esto indica que cada cepa de microalga destinada a la producción de biomasa para biorefinería requeriría un estudio detallado de sus requerimientos nutricionales para la formulación de me-dios de cultivo a escala industrial. Esto favorecería obtener mayores tasas de cre-cimiento y lípidos totales paralelamente, lo que aumentaría la productividad por unidad volumétrica. Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo a este trabajo al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia y a la Universidad Autónoma de Occidente a través de la concesión del proyecto 2008D32273-6569.

Referencias

a. Yi-Xin Huo, David G Wernick and James C Liao. 2011. Toward nitrogen neutral biofuel pro-duction Current Opinion in Biotechnology, 23:1–8.

b. Ron Pate, Geoff Klise, Ben Wu. 2011. Resource demand implications for US algae biofuels production scale-up. Applied Energy 88 3377–3388.

c. Christine Rösch, Johannes Skarka, Nadja Wegerer. 2012. Materials flow modeling of nutrient recycling in biodiesel production from microalgae. Bioresour Technol;107:191-9.

d Idrobo Libreros. G., Flórez Pardo L, M. 2012. Specific isolation of microalgae by differential centrifugation combined with density gradient centrifugation (DC-DGC). In prep.

e. Lee Jae-Yon, Chan Yoo, So-Young Jun, Chi-Yong Ahn, Hee-Mock Oh. 2010. Comparison of several methods for effective lipids extraction from microalgae. Bioresource technology. 101: 575-577

f. Bligh,E.G. and Dyer,W.J. 1959. A rapid method for total lipid extraction and purification. Can.J.Biochem.Physiol. 37:911-917.

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EVALUACIÓN DEL EFECTO DE LA RELACIÓN CARBO-NO/NITRÓGENO EN LA DEPOSICIÓN DE PIGMENTOS FOTO-

SINTÉTICOS PRESENTES EN Chlorella vulgaris UTEX 1803 PARA LA VALORIZACIÓN DE LA BIOMASA

(Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Tatiana Sarmiento1, Bibiana García 1, Ginny Tamayo1, Andres Barajas 1 Crisóstomo Barajas1, Viatcheslav Kafarov 2

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación de Desarrollo y energia (cides)

Introducción Los pigmentos derivados de cultivos microalgales (Clorofila a, b y carotenoides) han adquirido gran importancia a nivel de la industria alimentaria, tratamientos farmacéuticos y cosmética, sin embargo pocos estudios se enfocan en la maximiza-ción de la productividad de estos. Trabajos basados en el desarrollo de Biorefine-rias teniendo como materia prima la biomasa de microalgas, señalan que la produc-ción de esta es poco rentable para la obtención de biodiesel por sí solo, por lo cual se hace necesario valorizar integralmente la totalidad de la biomasa generada, me-diante el aprovechamiento de los diferentes subproductos obtenidos; dentro de estos se incluyen tanto carbohidratos, proteínas, aminoácidos esenciales, vitaminas y pigmentos.[1] En el presente trabajo se evaluó el efecto de la relación carbo-no/nitrógeno en la deposición de pigmentos fotosintéticos presentes en Chlorella vulgarís UTEX 1803 como método para la valorización de la biomasa Materiales y metodos. En la primera etapa se realizaron cultivos mixotróficos con diferentes concentra-ciones de acetato (5, 10 y 20mM), y nitrato de sodio (0,97, 1,94 y 2,94mM) durante 5 días, se realizaron medidas diarias de clorofila y densidad óptica. Por último, se modificó el proceso de extracción de pigmentos mediante la variación de tempera-tura, volumen de solvente y tiempo de extracción. Resultados y discusión. Los resultados obtenidos muestran que la mayor producción de biomasa (0,838 g/L) se dio en el tratamiento R3 y la mayor producción de pigmentos se dio en R5 (0,417 g/L); sin embargo, el más productivo fue R7, donde se obtuvo 0,079 g de clorofila / g de biomasa. Los resultados mostraron que las variables tiempo y la cantidad de solvente no tenía un efecto significativo, lo que significa que la variable que representa los cambios en el contenido de pigmentos es la temperatura, este resultado concuerda con el trabajo de Cha KH et al. (2010) [2] donde plantean que la eficiencia de extracción de clorofilas a y b mejoraba a altas temperaturas. Chlorella sp. acumula

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grandes cantidades de clorofilas sólo en un cloroplasto encerrado por una gruesa pared celular, que pueden entorpecer la extracción de clorofila. Aunque la variable tiempo no presentó diferencias significativas en la extracción de clorofila, el tiem-po de contacto y el solvente puede ser determinante para la cantidad de productos extraídos. Largos períodos de extracción puede aumentar los productos de degra-dación. El período necesario para la extracción de clorofila a depende también de la composición de las especies [2].

Figura 1: Producción de clorofila para cada uno de los tratamientos bajo diferentes condiciones de tiempo, temperatura, solvente. R1: T=45°C, S=60 ml, t=7,35 h R2:T=45°C,S=60ml,t=4 h. R3:T=61,73°C,S=60ml, t=4h. R4: T=35°C, S=90 ml, t=4 h. R5: T=45°C, S=60 ml, t=4 h. R6: T=45°C, S=60 ml, t=4 h. R7: T=45°C, S=60 ml, t=4 h. R8: T=45°C, S=9,8 ml, t=4 h. R9: =45°C, S=9,8 ml. t=4 h. CONTROL: T=45°C, S=9,8 ml, t=4 h. Conclusiones La aplicación el método de extracción mejorado se refleja un aumento en la pro-ductividad (0,15 g/L) de casi cuatro veces comparado con el método tradicional de medición diaria de clorofila total (0,041g/L); lo que permitió establecer los rangos óptimos de las variables estudiadas para el proceso (Temperatura: Máxima que oscilan en 55°C y 61,73°C, Solvente: 60 ml de etanol, Tiempo: 4 h). Se determino que es necesario utilizar la biomasa en base húmeda, ya que garantiza un aumento de la extracción de pigmentos de 4 veces y disminución de la posibili-dad de obtener un extracto lipidico con impurezas. referencias 1. González, A., Kafarov, V. 2011. Microalgae based biorefinery: Issues to consider. Ciencia,

Tecnología y Futuro. 4:4:5-22. 2. Hagerthey, S., Louda, G., Mongkronsri, P. 2006. Evaluation of Pigments extraction methods and

a recommended protocol for periphyton chlorophyll a determination and chemotaxonomic asses-sment. J. Phyco. 42:1125-1136.

156

DISEÑO DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE BIOCOMBUSTI-BLES A PARTIR DE MICROALGAS Y SU POTENCIAL ECONÓ-

MICO (Biocombustibles a partir de Microalgas)

González, Pablo y Calvo, Diana1

1. Universidad de los Andes, Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental, Cra 1 e No 19ª-40

d-calvo@uniandes.edu.co

Introducción Los inconvenientes encontrados actualmente en el abastecimiento energético del mundo, incluyen no solo la preocupación de la característica finita de los combus-tibles fósiles, sino además el gran impacto ambiental que causan los mismos. De-ntro de estos impactos se encuentra la emisión de gases de efecto invernadero y la contaminación por la extracción de los combustibles, preocupantes a escala mun-dial. Por razones como éstas, la búsqueda de alternativas energéticas más limpias ha empezado a ser de gran importancia en la investigación académica y empresa-rial. Una de las formas de energía innovadoras es utilizar como fuente biomasa. Por esta razón cultivos tales como el maíz y la soya han dejado de ser utilizados úni-camente para la producción de consumo alimenticio y ahora también son utilizados para generar biocombustibles (Alternative Energy Secret, 2010). Sin embargo, el hecho de que exista producción competitiva entre alimentos y energía, ha generado debate en el uso de estas fuentes. Una alternativa al uso de biomasa comestible es el uso de microalgas, que tienen potencial para reemplazar el uso de combustibles fósiles, pero en la actualidad ne-cesitan mejoras en su proceso productivo para que puedan ser económicamente sostenibles y competitivas con los mismos (Chisti Y., 2007).

Materiales y Métodos Se desarrollo el diseño de una planta productora de biocombustibles a partir de microalgas, teniendo en cuenta las ventajas climáticas y geográficas del país. Mediante la implementación de herramientas organizacionales tales como los oc-éanos azules y las cinco fuerzas de Porter, se presenta un estudio del mercado ac-tual existente en Colombia, que sirve como herramienta para a cuantificación del mercado potencial de esta alternativa.

Resultados y discusión Después de analizar técnica, financiera y organizacionalmente la alternativa de producción de microalgas en Colombia, el plan de negocios muestra una alta opor-tunidad. Esto se debe al mercado potencial que hay en el país el cual consta de 726

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Megalitros para el 2011, de los cuales únicamente se están produciendo 587 Mega-litros. Esto quiere decir que aun hay un 19% del mercado que no se está suminis-trando. Gracias al estudio financiero se puede apreciar que hay varias maneras para maxi-mizar las ganancias, como es la venta de subproductos, y así lograr que este tipo de proyectos puedan ser realizados, obteniendo beneficios económicos para sus accio-nistas y a su vez siendo parte de la solución a la problemática tanto nacional como mundial.

Conclusiones La biomasa de las microalgas, puede ser utilizada para extraer aceite y generar biocombustibles con varias ventajas. Por una parte las microalgas cuentan con ma-yor cantidad de aceite que los otros cultivos, pueden ser cosechadas a lo largo de todo el año, y no compiten por terrenos fértiles con los alimentos. El principal pro-blema para la producción de biocombustibles a partir de microalgas ha sido los elevados costos de producción debido a los bajos precios del producto final, el combustible; sin embargo este tipo de materia prima si ha sido utilizada a gran escala para la elaboración de otros productos farmacéuticos de mayor precio. En este proyecto se evidenció la presencia de varios estudios en el mundo para reducir los costos de producción, igualmente se muestra que Colombia cuenta con gran potencial para llevar a cabo este tipo de proyectos, con costos más bajos debi-do a su ubicación geográfica, siendo un lugar ideal para elaborar sistemas abiertos de cultivo de microalgas. El plan de negocios presentó varios factores importantes que contribuyen a la elaboración del presente proyecto. Analizando inicialmente el océano azul que se presenta y las ventajas que trae poder entrar en un mercado amplio, el cual cuenta con baja competencia en el sector, como se demostró haciendo uso de las cinco fuerzas de Porter. Igualmente se presentó la posibilidad de vender los subproductos generados a lo largo del proceso, y de los cuales ante-riormente no se obtenía beneficio alguno, con lo cual se puedan aumentar los in-gresos y hacer un proyecto económicamente viable y rentable para sus inversionis-tas. Para concluir, es necesario que este tipo de proyectos ganen fuerza y apoyo tanto a nivel nacional como mundial, porque más allá de los beneficios económicos que puedan traer también debemos resaltar el valor agregado que tienen. Esto hace referencia a su aporte a la problemática ambiental, como el calentamiento global, que está azotando a nuestro planeta, que nos plantea retos, obligándonos a buscar soluciones viables y realizables, como la presente, por supuesto susceptibles de ser mejoradas en el futuro, pero que sin duda alguna son base para iniciar un cambio trascendental.

Referencias

a. Alternative Energy Secret. (2011). Alternative Energy Sources. Recuperado el 24 de Marzo de 2011, de AlternativeEnergySecret.com: http://www.alternativeenergysecret.com/

b. Chisti, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, 294-306.

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EFECTO DE LA RELACIÓN CARBONO/NITRÓGENO EN LA DE-POSICIÓN DE PROTEÍNAS TOTALES PRESENTES EN Chlorella

vulgaris PARA LA VALORIZACIÓN DE LA BIOMASA. (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Linda E. Durán1, Andrés F. Barajas-Solano1*, Crisóstomo. Barajas-

Ferreira1* & Viatcheslav. Kafarov1*

1Laboratorio de Biomasa, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga; * Centro de Investiga-ción en Desarrollo Sostenible en Industria y Energía, Carrera 27 con calle 9, Bucaramanga, Colombia

linda.duran@correo.uis.edu.co; andresfdobarajas@gmail.com; kafarov@uis.edu.co

Introducción A nivel mundial la producción de microalgas y la obtención de sus derivados han sido tal vez uno de los campos más estudiados en los últimos tiempos (Carvalho et al. 2006). Las microalgas tienen el potencial para el desarrollo de Biorefinerias (Gonzalez-Delgado et al. 2011) Sin embargo, la baja productividad de los cultivos ha impedido implementar una producción a gran escala, principalmente debido a la limitada incidencia de luz en la mayoría de los fotobioreactores utilizados (Fernán-dez et al. 2000). No obstante, estudios confirman que mediante el uso de fuentes de carbono orgánico en los medios de cultivo, se ha podido obtener un aumento en la tasa de crecimiento microalgal, minimizando así el efecto de la incidencia de luz (Martínez et al. 1997); tal es el caso de Chlorella vulgaris que ha sido capaz de crecer en condiciones autotróficas y mixotróficas (Borowitzka, 1999). Materiales y Métodos La microalga utilizada para este estudio corresponde a Chlorella vulgaris la cual se mantuvo en crecimiento en el medio Bold Basal (MBB) como cultivo autotrófico control (Bischoff & Bold, 1963). Posteriormente, se realizaron cultivos mixótrofos a diferentes concentraciones de acetato de sodio (5mM, 10mM, 20mM), de igual manera se modificó la cantidad de solución de nitrato de sodio establecida para el medio Bold Basal, estas concentraciones fueron 0,97mM; 1,94mM y 2,94mM. Las proteínas totales fueron extraídas siguiendo el procedimiento de Illman et al. (2000), y determinadas espectrofotométricamente utilizando el método de Biuret, empleado por Dorey & Draves (1998). Adicionalmente, se cuantifico el consumo de nitrógeno siguiendo el protocolo propuesto por Clescen et al. (1999). Resultados y Discusión El valor más altos en cuanto a concentración de proteínas, se obtuvo en el medio de cultivo R9 (20mM de acetato; 2,94mM de nitrato) con una productividad de 0,78±0.18 g/L, superando 1,7 veces más en producción con respecto al cultivo control (0,46 g/L), de igual manera este cultivo fue el que consumió mayor canti-dad de nitrógeno (91%).

159

Figura 1. Concentración de proteínas y consumo de nitrógeno (%) en todos los medios de cultivo, incluyendo el cultivo control.

Estos resultados muestran que se produce mayor contenido de proteínas en cultivos con grandes cantidades de nitrógeno y acetato, mientras que la respuesta de la cepa algal en cultivos con limitación de nitrógeno es diferente, encontrándose los valo-res más bajos en relación a la concentración de proteínas, lo cual implicaría que la variación de nutrientes en el medio de cultivo afecta la producción de proteínas totales. Nuestros resultados coinciden con los reportados por Illan et al. (2000) en donde el contenido de proteínas para C. vulgaris es menor en medios de cultivo con baja fuente de nitrógeno. En todos los tratamientos se encontró que el consumo de nitrógeno aumenta duran-te los primeros tres días del experimento, y finalmente se mantiene constante hasta el último día de cultivo (Figura 7). Además, se observó un consumo significativo de nitrógeno para los cultivos con mayor concentración de nitrógeno y acetato. Con base en estos resultados se puede decir que las células con respecto a la concentra-ción de nitrógeno después de cinco días de cultivo, dejan de consumir nitrógeno como una medida para regular la concentración interna y externa. El cultivo que registro la menor concentración de proteínas totales fue el control (0 mM Acetato: 2,94mM Nitrato) con una producción de 0,46 g/L y un consumo de nitrógeno del 44%. Estos resultados concuerdan con los obtenidos por Illman et al. (2000), en donde encontraron para C. vulgaris, diferencias significativas en el contenido de proteínas entre los diferentes medios de cultivo con respecto al cultivo control. Conclusiones.

160

Con base en los datos obtenidos y el análisis de los mismos, se comprobó experi-mental y estadísticamente que el contenido de proteínas es directamente proporcio-nal a la cantidad de acetato y nitrato presentes en el medio, mientras que la res-puesta de la cepa algal en cultivos con limitación de estos nutrientes es diferente, encontrándose los valores más bajos en relación a la concentración de proteínas. Chlorella vulgaris puede ser cultivada en el medio de cultivo con la relación car-bono/nitrógeno 20mM: 2,94mM, debido a que es allí donde presenta la mayor con-centración de proteínas totales. Referencias Dorey, F., Draves, G. (1998). Quantitative Analysis Laboratory: A New Approach Funded by the National Science Foundation. University of Central Arkansas. 1-3. Gonzalez-Delgado., Kafarov. (2011). Microalgae based Biorefinery : Issues to consider. CT&F. 4(4) :5-21. Illman, A. M., Scragg, A. H., Shales, S. W. (2000). Increase in Chlorella strains calorific values when grown in low nitrogen medium. Enzyme and Microbial Technology. 27: 631–635.

161

EFECTO DE LA RELACIÓN CARBONO/NITRÓGENO EN LA PRODUCTIVIDAD DE BIOMASA Y CARBOHIDRATOS EN CUL-TIVOS DE Chlorella vulgaris UTEX 1803 EN FOTOBIORREACTO-

RES A ESCALA DE LABORATORIO.

Silvia J. Jerez1, Laura V. Rueda2, Laura Y. Alfonso3, Andrés F. Bara-jas4 Crisóstomo. Barajas5 & Viatcheslav. Kafarov6

1. Universidad Industrial de Santander, CIDES, Cra 27 con calle 9, Sil-

via.jerez1@correo.uis.edu.co 2. Universidad Industrial de Santander, CIDES, Cra 27 con calle 9, laurarue-

da18@hotmail.com 3. Universidad Industrial de Santander, CIDES, Cra 27 con calle 9, yulexal@hotmail.com

4. Universidad Industrial de Santander, CIDES, Cra 27 con calle 9, andresfdobara-jas@gmail.com

5. Universidad Industrial de Santander, CIDES, Cra 27 con calle 9, kafarov@uis.edu.co

Introducción. Chlorella vulgaris es un microorganismo de importancia industrial por la produc-ción de metabolitos de gran valor económico como pigmentos, carbohidratos y proteínas. En los últimos años se ha utilizado esta especie para la producción de biodiesel, el cual tiene un alto costo debido a las tecnologías requeridas para sepa-rar la biomasa en sus componentes principales, por tanto el estudio de las microal-gas en el campo de biorefineria es importante para darle valor agregado a dichos componentes (Gonzales & Kafarov 2011). Materiales y métodos Se utilizó la cepa de Chlorella vulgaris UTEX 1803 en medio de cultivo Bold Ba-sal durante cinco días con diferentes concentraciones de acetato (5, 10 y 20mM), y nitrato de sodio (0,97, 1,94 y 2,94mM). Se realizó la cuantificación de carbohidra-tos en la biomasa, en el extracto de pigmentos y en el medio de cultivo utilizando el método colorimétrico fenol- ácido sulfúrico (Dubois et al. 1956). Adicionalmen-te se cuantificó el consumo de fosfato siguiendo la metodología de métodos están-dar para la determinación de aguas residuales (Clesceri et al. 1999). Resultados y discusión Al quinto día de cultivo T5 (10mM de acetato; 1,94mM de nitrato) alcanzó una producción de biomasa de 0,79 g/L con alta productividad de xilosa y glucosa (76,9 μg/ml y 73,7 μg/ml respectivamente). Sin embargo, al tercer día, T3 (20mM de acetato; 0,97mM de nitrato) había producido 1,04 g/L de biomasa, 78,9 μg/ml de xilosa y 77,2 μg/ml de glucosa equivalentes al 7,6 y 7,5% del total de biomasa. Aunque estos tratamientos tuvieron una producción mayor (0,55 g/L de biomasa, 40,2 μg/ml de xilosa y 31,3 μg/ml de glucosa) a un cultivo sin modificación (0mM

162

de acetato y 2,94mM de nitrato), el T3 consumió casi 4 veces más fosfato (70%) que los cultivos T5 y sin modificación (aprox. 20%). Gracias a la relación carbo-no/nitrógeno, se mejoran las productividades de biomasa (de 0,55 g/L hasta 1,04 g/L), de xilosa (de 40,2 μg/ml hasta 78,9 μg/ml) y de glucosa (de 31,3 μg/ml hasta 77,2 μg/ml), representando un mejoramiento de hasta 2 veces tanto la producción de biomasa como de carbohidratos en tres días de cultivo. Conclusiones El método de Fenol- Acido sulfúrico es muy eficiente en este análisis debido a que mide muestras en concentraciones muy pequeñas, además de que no requiere un pre tratamiento ni hidrolización de las muestras como el método de DNS imple-mentado en estudios anteriores. Con la aplicación de la relación C/N de 10mM de acetato de sodio: 1.94mM de nitrato de sodio (T5) a un cultivo de C. vulgaris UTEX 1803 se logra obtener luego de cinco días de cultivo, una producción de 0,79 g/L de biomasa, que contiene 9.7% de xilosa (76,9 μg/ml) y 9.3% de glucosa (73,7 μg/ml ). Con los cultivos de C. vulgaris UTEX 1803 a los que se les aplico el tratamiento 3 (20mM de acetato: 0.97mM de nitrato) se logra mejorar hasta dos veces la producción de biomasa pasando de 0.55g/L a 1.04g/L , como la de xilosa (de 40.1 μg/ml a 78.9 μg/ml) y glucosa (de 31,2 μg/ml a 77.2 μg/ml) en tres días de cultivo. Referencias DuBois, D., Gilles, K., Hamilton, J., Rebers, P., Smith, F. Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances. Anal. Chem., 1956, 28 (3), pp 350–356

Clesceri, L.S.; Greenberg, A.E.; Eaton, A.D. (1999) Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 20th Edition. American Public Health Association (APHA), American Water Works Association (AWWA) and Water Environment Federation (WEF). Washington, US. 1325 p. Gonzalez, A., Kafarov, V. (2011) Microalgae based biorefinery: issues to consider. A review. CT&F - Ciencia, Tecnología y Futuro, 4 (4), 5 - 22

Figura 1a-b. Concentración de xilosa y glucosa para los tres métodos de extracción al quinto día de inoculación.

163

Figura 2a-b. Concentración de xilosa y glucosa para los tres métodos de extracción al tercer día de inoculación.

Tabla 1. Concentración total y porcentaje peso-peso (con respecto a la cantidad de biomasa produci-da) de xilosa y glucosa al tercer y quinto día de ser inoculada la cepa.

Xilosa Glucosa

Día 3 Día 5 Día 3 Día 5 Conc total [μg/ml] %p/p Conc total

[μg/ml] %p/p Conc total [μg/ml] %p/p Conc total

[μg/ml] %p/p

T0 40.2 5.6% 53.7 6.4% 31.3 4.3% 67.9 8.1%

T3 78.9 7.6% 42.3 4.1% 77.2 7.5% 44.5 4.3%

T5 52.1 6.6% 76.9 9.7% 62.2 7.9% 73.7 9.3%

T6 50.6 5.9% 31.6 3.4% 64.3 7.4% 48.0 5.2% T9 46.0 4.7% 39.8 5.4% 68.6 6.9% 32.9 4.5%

164

Harvesting Nannochloris oculata and Nannochloropsis salina via elec-trolyte flocculation

Andrea Garzon1, Ryan Davis1, Chance Carrick2, Silvia Ramirez1, and Zivko

Nikolov1

1. Biological and Agricultural Engineering, Texas A&M University, College Station, TX, USA

2. Chemical Engineering Department, Texas A&M University, College Station, TX, USA

Introduction Harvesting of microalgae slurries is the first step of dewatering process before oil extraction; it is an expensive process that is limiting biodiesel production at large scale. Several different methods have been tested for harvesting microalgae bio-mass including electrolyte flocculation. This work focuses on understanding floc-culation parameters using AlCl3 to concentrate Nannochloris oculata and Nannoc-hloropsis salina. Process variables such as, initial cell density, ionic strength, coa-gulant dosage, media pH, and zeta potential were analyzed to determine their sig-nificance on algae removal (flocculation) efficiency.

Materials and methods Nannochloris oculata and Nannochloropsis salina, green microalgae species were selected for harvesting studies. N. oculata was grown in a modified Erdshreiber media containing 15 g/L NaCl, while N. salina was grown in F/2 media with 20 g/L NaCl. Cell density was monitored daily by measuring the optical density at 750 nm wavelength using a Beckman Coulter (Brea, CA) DU640 spectrophotome-ter. Cells were counted using a hemocytometer (BrightLine, Hausser Scientific, Horsham, PA). Flocculation experiments were performed at the beginning of the stationary phase.

Results and discussion To understanding the flocculation mechanism with AlCl3, zeta potential measurements of N. oculata culture at 1×106 cell/mL were taken at different pHs. Charge neutralization was reached around pH 5.3 at 0.016 ng-AlCl3/cell (Figure 1a); however, further flocculation experiments at lower coagulant dosage indicated that charge neutralization was not required to achieve > 90 % removal efficiency at pH below 6.0. Therefore, we hypothesized that algal flocculation with AlCl3 was due to two mechanisms: i) charge neutralization and ii) sweep flocculation by alu-minum hydroxide precipiate (Figure 1 b).

165

pH

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

Zeta

Pot

entia

l (m

V)

-40

-30

-20

-10

0

100.016 ng AlCl3/cell No AlCl3

...............................................................................................................

(a) (b)

Figura 1. (a) Zeta potential measurment of N. oculata algae culture as a function of pH. Initial cell concentration 1.0×106 cell/mL and (b) Al(OH)3 precipitation as a function of pH at 0.0016 and 0.01

ng--AlCl3/cell (a)

Initial cell density and coagulant dosage had a significant effect on the removal efficiency. Low initial cell concentration cultures (1×106 cell/mL) required a mi-nimum of 300 mg/L (0.01 ng AlCl3/cell) of coagulant (AlCl3) to achieve > 90 % removal efficiency, while, denser cultures (> 1×107 cell/mL) required 50 mg-AlCl3/L (0.0016 ng AlCl3/cell) as shown in Figure 2.

Coagulant dosage (ng AlCl3/cell)

0.0016 0.0032 0.01

Rem

oval

effi

cien

cy (%

)

0

20

40

60

80

10

0

20

40

60

80

10

0

20

40

60

80

10

0 [10mS]

15 [27mS]

30 [32mS]

NaCl (g/L)[mS]

4 1 2 4 5 6 7 8 1 1 4 1 2 4 5 6 7 8 1 1 4 1 2 4 5 6 7 8 1 1

Cell density (cell/mL) Figure 2. Effect of initial cell concentration, ionic strength, and coagulant dosage on removal effici-

ency via AlCl3 flocculation (a)

Acidification of algal cultures with HCl before AlCl3 flocculation was beneficial but not when cationic polyelectrolytes were used. N. salina slurries required signi-ficantly less acid (21-fold) to reach the optimal flocculation pH than N. oculata perhaps due to the high-buffering capacity of the growing media Acknowledgments:The Authors thank U.S. Department of Energy under contract DE-EE0003046 awarded to the National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts and Dr. Lisa Wilken. References

a. Garzon-Sanabria A. J., Davis, R. T., Nikolov, Z. L. 2012. Harvesting Nannochloris oculata by inorganic electrolyte flocculation: effect of initial cell density, ionic strength, coagulant dosage, and media pH. Bioresurce Techn. Doi: 10.1016/j.biortech.2012.04.057

166

EVALUACIÓN PRELIMINAR DE UNA MICROALGA FILAMEN-TOSA COMO FUENTE DE SUSTRATOS PARA BIODIESEL

(Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Godfrey Idrobo L1,2, Luz M. Flórez Pardo1

1. Universidad Autónoma de Occidente, Grupo de investigación en Biocombustibles,

Cll25# 115-85 Km.2 Vía Cali-Jamundí. PBX: (057) (2) 3188000 Ext 11879, godfreyidrobo@gmail.com, gidrogo@uao.edu.co

2. Universidad del Valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Biología.

Introducción

Como todo organismo vivo sobre la tierra las microalgas requieren de nutrientes básicos para su desarrollo. Entre los más importantes se destacan el N, P, K y la fuente de carbono, que en el crecimiento autotrófico en ambientes naturales es su-ministrado por el CO2 disuelto en la interfase líquido – aire y el desplazamiento del balance del carbono inorgánico disuelto. Uno de los problemas ecológicos frecuen-tes son los afloramientos de algas filamentosasa,b,c los cuales son en algunos casos tan grandes que pueden ser vistas desde el espacio. Estos afloramientos (blooms) están relacionados con la disponibilidad de nutrientes, el pH, la temperatura y otros factoresc. Recientemente las microalgas filamentosas han sido reseñadas como una promisoria fuente de sustratos para los biocombustibles especialmente por dos factores: sus capacidad de crecer en sustratos de aguas ricas en nutrientes (aguas residuales) y por la facilidad de su cosechad. El objetivo de este trabajo fue realizar una evaluación preliminar de un alga nativa colombiana filamentosa cultivada in-situ como posible fuente de lípidos para la industria del biodiesel.

Materiales y Métodos, Material biológico: microalga nativa colombiana filamentosa cosechada y aislada en el Valle del Cauca. Medio de cultivo: medio Basal de Bold 1959 (BBM), Cuan-tificación de biomasa: fue realiza mediante gravimetría de biomasa previamente secada entre 90 -100 °C, hasta peso seco constante libre de ceniza (PS-LC). Siste-ma de cultivo y cosecha: la biomasa fue colectada in situ y su crecimiento había sido bajo las condiciones reinantes externas. Fotoperiodo correspondiente al mes de febrero de 2012 el cual es aproximadamente 12:12, la cosecha se realizó con maya de 1mm y el pre-secado por prensado. Pretratamiento, extracción y determi-nación ácidos grasos: se aplicó un método de disrupción celular como pre-tratamiento para mejorar la extracción de lípidos totales: agitación con perlase, la extracción se realizó mediante modificación del método de Bligh & Dyer (1959) f y

167

la determinación de ácidos grasos mediante cromatografía de capa fina (TLC por sus siglas en ingles).

Resultados y discusión

En la figura 1. Se observa la microalga filamentosa colectada y evaluada. Los fila-mentos observados son mayores a 100 µm su gran tamaño es una de las caracterís-ticas más importantes porque el proceso de cosecha se hace extremadamente sim-ple si es comparado con otras microalgas de vida solitaria como Chlorella.

Figura 1. Izquierda: Microfotografía óptica de microalga Filamentosa (óptico 40X). Derecha: Porcen-taje de lípidos totales extraídos de la microalga filamentosa mediante el método Bligh & Dyer (1959).

(Grafico de barras y alambres con intervalo del 95% y error estándar). El proceso de cosecha y extracción se vio facilitado ampliamente por las caracterís-ticas estructurales de la microalga. El porcentaje de lípidos totales extraídos fue de 5 al 8%, no obstante la biomasa obtenida por unidad de área asumiendo una pro-fundidad optima de crecimiento de tan solo 2 cm es equivalente 7,5 gramos por litro. Bajo condiciones laboratorio y aplicando estrés de nitrógeno la cepa de mi-croalga filamentosa produjo 27% de lípidos totales. A pesar del bajo contenido de lípidos totales obtenidos, la biomasa remanente es susceptible de ser hidrolizada para obtener azúcares fermentables. De los hidrolizados de proteínas se pueden obtener alcoholes de 4 y 5 carbonos mediante reacciones de desaminación por rutas metabólicas creadas en E. coli mediante ingeniería metabólica del flujo de nitróge-no (según el estado del arte actual se pueden alcanzar hasta 56% de rendimiento respecto al teórico)g.

Conclusiones

La microalga filamentosa cosechada y aislada en el valle del Cauca tiene concen-traciones de lípidos totales que van desde el 5% hasta el 27 dependiendo de su estado metabólico. No obstante se requiere realizar evaluaciones de la productivi-dad volumétrica por unidad de tiempo que permita establecer los rendimientos

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frente a otras especies de algas. El proceso de cosecha y prensado comparado con microalgas de vida solitaria es extremadamente sencillo.

Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo a este trabajo al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia y a la Universidad Autónoma de Occidente a través de la concesión del proyecto 2008D32273-6569.

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b. Troels Andersen, Frede. Andersen. 2006. Effects of CO2 concentration on growth of filamentousalgae and Littorella uniflora in a Danish softwater lake. Volume 84, Issue 3. Pages 267–271

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g. Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, Jimmy G. Lafontaine Rivera, Emma Monte, Claire R Shen, Yajun Yan, James C Liao. 2011. Conversion of proteins into biofuels by engineering nitrogen flux. Nature biotechnology volume 29 number 4.

169

AUMENTO DE LÍPIDOS TOTALES MEDIANTE DEPLECIÓN DE NITRÓGENO EN MICROALGAS: CAMINO ERRADO PARA EL AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD LIPÍDICA PARA BIODIE-

SEL

(Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Godfrey Idrobo L1,2, Luz M. Flórez1, Jorge E. López Galán3

1. Universidad Autónoma de Occidente, Grupo de investigación en Biocombustibles, Cll25# 115-85 Km.2 Vía Cali-Jamundí. PBX: (057) (2) 3188000 Extensión 11879 y 11047 godfreyi-

drobo@gmail.com, gidrogo@uao.edu.co 2. Universidad del Valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de Biología.

3. Universidad del Valle, Facultad de Ingenierías, Departamento de Biología. Grupo de investigación en Biocombustibles

Introducción

Las microalgas son un diverso grupo de organismos fotosintéticos de rápido creci-miento debido a su estructura simple. Son múltiples los combustibles y productos que pueden ser obtenidos a partir de los productos derivados de su biomasa; como el biodiesel, bio-singas, bio-hidrógenoa, bio-etanolb y bio-metanoc. Existen diversos planteamientos teóricos y experimentales que han sido propuestos para producir una mayor cantidad de lípidos a nivel intracelular en las microalgas con la finalidad de aumentar la productividad de lípidos, a fin de dar viabilidad a la producción de biodiesel a partir de microalgas. Estos planteamientos incluyen la modificación genética de microalgas, modificación de las condiciones de cultivo, utilización de sistemas cerrados y utilización de sistemas abiertos. Cada uno de estos métodos que busca el aumento de la biomasa obtenida tiene sus pros y contrasd. Dentro de las modificaciones de cultivo se incluyen la variación de los parámetros de cultivo como: la intensidad lumínica, el contenido de nitrógeno en el medio de cultivo y la concentración de CO2. En el presente trabajo se evalúa la estrategia de control me-tabólico mediante depleción de nitrógeno en función de la productividad de lípidos totales, en contraste a la evaluación por el porcentaje de lípidos totales respecto al peso seco, lo cual ha sido ampliamente reportadoe,f.

Materiales y Métodos

Material biológico: microalga Chlorella vulgaris CVL1 adquirida en departamento de Acuicultura del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) de Méjico. Medio de cultivo: medio basal de Bold (BBM) para la producción de inoculo viable en fase exponencial y medio BBM con modi-ficación de las relaciones molares de NaNO3 para evaluar los efectos de la deple-ción de nitrógeno, teniendo como valor de referencia optimo 2,9*10-3M (concen-tración nominal del medio BBM). Cuantificación de la biomasa: fue realizada

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mediante gravimetría de la biomasa previamente secada entre 90 -100 °C hasta peso constante. Se reporta como peso seco directo en g/l. Sistema de cultivo: el cultivo se llevo a cabo en fotobioreactores de columna agitados por burbujeo de 50 (evaluación de las concentraciones altas y bajas de NaNO-3 sobre la productividad de biomasa) y 500 ml (evaluación de las concentraciones altas sobre la producción de biomasa y lípidos), fotoperiodo 24:24, inyección de aire con concentración va-riable de CO2 entre 400-1000 ppm. Extracción y determinación ácidos grasos: disrupción celular mediante agitación con perlas de 0,4mm a 25 hertzios como pre-tratamiento; extracción de lípidos totales mediante el método de Bligh & Dyer (1959) (Figura 2 derecha); la determinación de ácidos grasos se realizó mediante cromatografía de capa fina (TLC por sus siglas en ingles).

Resultados y discusión La producción de biomasa con la microalga verde C. vulgaris CVL1 fue diferencial en función de la concentración de NaNO-3 utilizada. En los fotobioreactores en columna agitados por burbujeo (figura 1 izquierda) fue posible concentraciones celulares de hasta 2,4 g/l. A pesar que la estrategia de depleción de nitrógeno para el aumento intracelular de lípidos totales es la más reportada debido a que puede incluso duplicar los lípidos totales en varios grupos taxonómicosg, los resultados indican que la concentración celular disminuye con las disminución de la concen-tración de nitrógeno. Las tasa instantáneas de crecimiento fueron más bajas a con-centraciones bajas (NaNO3 de 0 a 5,9 x10-4M). La depleción total de nitrógeno (0 M) indujo pérdidas netas de biomasa cercanas al 17% respecto al inoculo inicial, lo cual se ve reflejado en las tasas instantáneas de crecimiento negativas (figura 1 derecha).

Figura 1. Izquierda: Fotobioreactores de columna agitados por burbujeo para la evaluación de la producción de biomasa con la microalga C. vulgaris CVL1 cultivada en el medio Basal de Bold

(1959) modificado con diferentes concentraciones de NaNO3. Derecha: Tasas instantáneas de creci-miento a los 7 días bajo diferentes concentraciones de NaNO3.

Las producción de biomasa fue mayor a concentraciones por encima de 5,9*10-4 M, esencialmente debido a un mayor número de divisiones celulares por unidad de tiempo (tasas instantáneas de crecimiento mayores), lo cual implica una mayor productividad promedio de biomasa por unidad de tiempo (0,26 g/l*d para concen-

171

traciones de NaNO3 entre 2,2*10-3M-2,9*10-3M contra 0.09 g/l*d para concentra-ciones de NaNO3 entre 0-5,9).

Figura 2. Izquierda: rrendimiento de extracción en función de la fase de crecimiento de la microalga C. vulgaris CVL1. Derecha: metodología de extracción de lípidos totales por el método de Bligh &

Dyer.

Los resultados indican que la depleción de nitrógeno puede inducir la respiración celular y por ende la disminución de la biomasa algal con la subsecuente disminu-ción neta de la productividad volumétrica de biomasa. Estos resultados tienen im-portantes implicaciones en la selección de un método de cultivo, porque el control metabólico por depleción de N implica un sistema de cultivo por lotes, en cual el factor limitante del crecimiento es el N. La respuesta a la depleción es la detención de las divisiones celulares y el paso de crecimiento exponencial a crecimiento esta-cionario, lo cual disminuye aun más la productividad porque en fase exponencial la concentración de lípidos totales es mayor que en las células en fase estacionaria (Figura 2 izquierda).

Conclusiones La depleción de N disminuye la productividad de biomasa y aumenta la concentra-ción neta de lípidos totales, la productividad baja con la estrategia de depleción porque las productividades volumétricas netas son menores debidas a un menor número de divisiones celulares o la cesación de las mismas, lo cual induce una disminución neta en el contenido de lípidos totales.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo a este trabajo al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia, a la Universidad del Valle y a la Universidad Autónoma de Occidente a través de la concesión del proyecto 2008D32273-6569.

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173

APROVECHAMIENTO DE VINAZAS DE EVAPORADOS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA DE Chlorella vulgaris UTEX 1803 a

ESCALA DE LABORATORIO (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

GARCÍA-Valbuena, C. G5., CEPEDA-Bautista, A.F., BARAJAS-Solano, A. F6.,

KAFAROV-Kafarov, V7. INTRODUCCIÓN: Las “vinazas” son aguas residuales industriales provenientes de procesos de la destilación alcohólica, los cuales son extremadamente contaminantes cuando son vertidas en fuentes de agua sin ningún tratamiento previo, debido a que éstas pose-en gran contenido de material orgánico y minerales como potasio, fósforo, nitróge-no y compuestos sulfurados Borrero, (2003); los cuales le confieren un pH ácido (Marín et al. 2010, Egberd 2010). Durante los procesos de extracción y producción de alcohol Etílico de Caña de Azúcar se producen las vinazas pero se producen dos tipos: las “vinazas de Destilados” (las cuales tienen un aspecto oscuro) y las “vina-zas de evaporados” que se obtienen durante la deshidratación del etanol. Actual-mente se conoce la capacidad de los organismos anaeróbicos y aeróbicos para recuperar estos cuerpos de agua (Aslan & Kapdan 2006, Bernal et al. 2008, An et al. 2003). La utilización de Chlorella vulagaris para el tratamiento de aguas resi-duales ah resultado exitoso (Bashan & Bashan, 2010, Gonzales et al.997) y en medios enriquecidos con vinazas de destilados también han mostrado un buen des-empeño (Castro, et al. 2011). Sin embargo no se conoce el comportamiento de C.vulgaris al utilizar “vinazas de evaporados” como medio de crecimiento. Por tal razón en este trabajo se evaluó la capacidad de C. vulgaris para producir biomasa al utilizar “vinazas de evaporados” con inyecciones de CO2 como medio de cultivo. MAERIALES Y MÉTODOS: Se utilizó la microalga Chlorella vulgaris UTEX 1803 obtenida de la colección de Texas (Austin, Tex, USA), ésta fue cultivada en medio Bold Basal (Andersen, 2005) con aireación constante (2 psi) y con lámparas halógenas de 8W hasta alcan-zar una densidad óptica de 0.8 (0.4gL-1). Las vinazas de evaporados fueron facilita-das por el centro de investigación para el desarrollo sostenible de industria y ener-gía (CIDES) adscrito a la escuela de Ing. Química de la UIS. Las “vinazas de eva-porados” se les realizó un análisis de nitrógeno total Kjeldahl para saber si conten-ían o no nitrógeno (datos no mostrados) y ésta arrojo la presencia de nitrógeno. Se utilizaron como Fotobiorreactores botellas de (Polietileno tereflato de 21/2 L). Éstos fueron distribuidos con el propósito de facilitar el suministro de CO2, y la disponibilidad de luz y burbujeo constante durante toda la fase experimental. Se realizaron dos diferentes tratamientos para evaluar la productividad de biomasa en C. vulgaris utilizando inyecciones de CO2 a un caudal de 4.72 L m-1 a dos diferen-

174

tes intervalos de tiempo (88 segundos cada 15 minutos y 264 segundos cada 60 minutos) Villarial & Gómez (2010) y como medio de crecimiento se emplearon diferentes concentraciones de “vinazas de evaporados” (10%, 30%, 50%, 100%). Para evitar problemas de carencia e independencia de los datos se realizó un diseño con múltiples observaciones en cada uno de las concentraciones de vinazas utiliza-das, consistiendo de una original y dos replicas. Para medir si la microalga estaba o no fotosintéticamente activa se estimó el contenido de clorofila total utilizando como solvente etanol al 90% y siguiendo las instrucciones planteado en Becker (1994). Se realizó una prueba no paramétrica KrusKal-Wallis, utilizando el softwa-re PAST v 2.12, (Hammer et al.2001). Debido a que los datos no se ajustaron a los supuestos sobre normalidad e igualdad de varianzas (p<0,05) González et al (2006). RESULTADOS: La mejor productividad de biomasa se obtuvo en el tratamiento de 10% con ambos tipos de inyección de CO2 (0.319 g L-1 cada 15 minutos y 0.239 g L-1 cada 60 mi-nutos), sin embargo esta producción de biomasa no es muy alta al compararse con el blanco que es de 0.5389 g L-1 presentándose diferencias significativas entre el blanco y los tratamientos (P>0.05). Los valores de productividad de biomasa más bajos se presentaron a concentraciones de 100% y 50% v/v. con inyecciones de CO2 cada 15 minutos y 60 minutos 0,016 g L-1 día -1 y 0,041 g L-1 día -1 respecti-vamente. La cantidad de clorofila total obtenida en los tratamientos a 50% y 100% presentaron los picos más altos como consecuencia de la aparición de cianobacte-rias en el medio enriquecido con vinazas y los cuales tienen la capacidad de produ-cir pigmentos como la clorofila a Bitton, (2005). Entre tratamientos la prueba de kruskal-Wallis con un P=0.0138, no permite constatar que si existió diferencias en lo concerniente a la producción de biomasa a 10% con respecto a los otros trata-mientos. CONCLUSIONES: La utilización de las vinazas de evaporados para la producción de biomasa a partir de C. vulgaris UTEX 1803 no es favorable debido a que éstas no contienen los elementos necesarios para el buen desarrollo de las microalgas. A pesar de que la prueba de Kjeldahl nos aviso de la presencia de nitrógeno en las vinazas éste pro-bablemente no se presentó en una forma de fácil incorporación para las microalgas. La aparición de cianobacterias en los tratamientos a 50% y 100% permitió consta-tar la presencia de otras formas de nitrógeno ya que estas son capaces de incorporar distintas fuentes de nitrógeno y al mismo tiempo producen metabolitos que son aprovechados en este caso por C. vulgaris generándose una simbiosis entre éstos.

175

REFERENCIAS: a. Borrero, M. A. V., Pereira, J. T. V. & Miranda, E. E. (2003). An enviromental management

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176

APROVECHAMIENTO DE VINAZAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA DE Chlorella vulgaris IMPLEMENTANDO MATERIALES COINMOVILIZANTES COMO MÉTODO DE RECUPERACIÓN DE

SU BIOMASA. (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

CASTRO – Ruiz1, C. L., PARRA-Rodriguez2, J. A., CASTRO-Rueda, L. M3.,

VILLAMIZAR-Cújar4, L. M., GARCÍA-Valbuena, C. G5., BARAJAS-Solano, A. F6., KAFAROV-Kafarov, V7.

1, 2, 3, 4, 6. 7. Escuela de Ingeniería Química de la Universidad Industrial de Santander.

5, Escuela de Biología de la Universidad Industrial de Santander

INTRODUCCIÓN: Las aguas residuales de destilería (Vinazas) al ser vertidas a los cuerpos de agua sin ningún tratamiento son altamente contaminantes para los ecosistemas acuáticos, debido a que éstas poseen gran contenido de material orgánico e inorgánico y mi-nerales como potasio, fósforo, nitrógeno y compuestos sulfurados confiriéndole su pH ácido. (Marín et al. 2010, Travieso et al 2008). Por tal razón se han buscado estrategias que ayuden a mitigar el efecto contaminante de las mismas. Diferentes estudios han podido constatar el potencial que las microalgas tienen para remover nitrógeno y fosforo de las vinazas convirtiéndose en una buena estrategia para la desintoxicación de cuerpos de agua. (An et al. 2003, Aslan et al. 2006, González et al. 2012); y Chlorela vulgaris no es la excepción. Bashan et al. (2002). Además poseen algunas ventajas significativas: no producen riesgos para la salud, conta-minación secundaria y sus productos finales se pueden convertir a otros productos derivados como lo son fertilizantes o producción de biocombustibles (Bashan & Bashan, 2010, Gonzales et al.997). Sin embargo su implementación ha traído nue-vos retos por resolver, por ejemplo el de cómo recuperar la biomasa obtenida de forma eficiente y el material que resista el efecto corrosivo de las vinazas, pero para resolver esto, las técnicas de co-inmovilización ha surgido como una buena opción. Bashan & Bashan, (2010). En este trabajo con miras a una producción de biomasa más eficiente, rentable y que beneficie al medio ambiente, se evaluó la viabilidad de utilizar vinazas como medio de cultivo para la producción biomasa a partir de C. vulgaris. Se escogió el material más idóneo haciendo evaluaciones de deterioro y la cantidad de biomasa recuperada en un periodo de cinco días proban-do tres diferentes tipos de material (esponja de Loofha, Poliuretano y polietileno de baja densidad con base a investigaciones previas realizadas en el grupo de investi-gación CIDES). El mejor de los tres será puesto a prueba como material co-inmobilizante y para medir su resistencia a la vinaza, también se estudia si el gro-sor del material seleccionado es un factor determinante en la recuperación de bio-masa.

177

MATERIALES Y MÉTODOS: Se utilizó la microalga Chlorella vulgaris UTEX 1803 obtenida de la colección de Texas (Austin, Tex, USA), ésta fue cultivada en medio Bold Basal (Andersen, 2005) con aireación constante y con lámparas halógenas de 8W hasta alcanzar una densidad óptica de 0.8 (0.4gL-1). Se utilizaron como Fotobiorreactores botellas de (Polietileno tereflato de 21/2 L). Para evaluar la productividad de biomasa utilizan-do vinazas como medio de crecimiento se implementaron 3 tratamientos todos con 500 ml de microalga a la D.O y 10% v/v; 50%v/v; 100% v/v (Vinazas/agua desti-lada) para un volumen final de trabajo de 2L, el cálculo de la biomasa se realizó por un periodo de diez días calculando el peso seco como lo plantea Becker, (1994). Para escoger le material co-inmobilizante se probaron tres materiales (es-ponja de Loofha, Poliuretano y polietileno de baja densidad) calculando la biomasa recuperada en medios de cultivo sin presencia de vinazas durante un periodo de 5 días. El material de mejor productividad fue utilizado para recuperar biomasa de C. vulgaris en medios a 100% v/v de vinazas, pero evaluando tres diferentes tipos de grosor (1, 2 y 4 cm) durante un periodo de diez días. El diseño experimental consto de un original y dos réplicas para evitar carencia e independencia de los datos, los mismos fueron evaluadas utilizando como herramienta estadística PAST v 2.12, (Hammer et al.2001). Comprobándose si estos cumplen con la asunción de distri-bución normal y homogeneidad de varianza Gonzales et al. (1997). RESULTADOS: Las microalgas al principio del experimento y durante el transcurso del mismo C, vulgaris fluctuó en lo concerniente a su productividad de biomasa estuvo relacio-nado al pH de la misma generando inhibición en algunos de sus procesos metabóli-cos Ardila & Rodriguez, (2011), a la producción de un Biofilm que impedía la entrada constante de aire que reducen la disponibilidad de oxígeno utilizado en los procesos de generación de energía a manera de ATP, una vez estabilizado su pH en los tres tratamientos, el de 100% v/v presentó el valor más alto con una ganancia de(13.45 g.L-1) con un (P>0.05), sobrepasando los valores obtenidos en trabajos como los de Ardila & Rodriguez (2011) con 0.58 g.L-1, Godoy y Monrroy (2011) con 0.44 g.L-1 y Cepeda, (2011) con 0.319 g.L-1, los cuales utilizaron medios enri-quecidos con distintos sustratos como Ácido acético, Dióxido de carono y “vinazas blancas” ó de evaporados respectivamente. . El mejor material utilizado como co-inmovilizante fue el polietileno de baja densi-dad siendo el material con mejor productividad de biomasa durante 5 días. Cuando se utilizó en cultivos enriquecidos con vinazas el polímero mostró signos de degra-dación como consecuencia del pH de las vinazas 4.0- 4.5 sin embargo al final del experimento en el décimo día el material no perdió sus propiedades físicas. La productividad de biomasa también fluctuó durante el tiempo experimental, encon-

178

trándose a través de una ANOVA que no existen diferencias significativas (P=0.7575) en la producción de biomasa utilizando diferentes grosores de material co-inmobilizante. 1 cm (18.67 g.L-1), 2 cm (21.67 g.L-1) y 4 cm (21.34 g.L-1). CONCLUSIÓNES: Se demostró que C. vulgaris UTEX 1803 puede utilizar las vinazas como medio de cultivo, ya que estas contienen los nutrientes necesarios para la ganancia de bioma-sa. Sin embargo la microalga no posee por sí sola la capacidad de eliminar la tota-lidad de carga orgánica debido que la final del periodo experimental las vinazas aún presentaban su color oscuro característico. Se determinó que el polietileno de baja densidad es un buen candidato como material co-inmobilizante para la pro-ducción de biomasa de C. vulgaris y aunque no existió diferencias significativas entre usar un grosor de 1 cm o 4 cm, el grosor de 2 cm presentó una mejor produc-tividad de biomasa. REFERENCIAS:

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h. Bashan, L.E, Bashan, Y. 2010. Immobilized Microalgae for Removing Pollutants: Review of Practical Aspects. ELSEVIER. Bioresource technology. 101, 1611-1627.

179

EXERGY AND ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF OIL EXTRAC-TION METHODS FOR SUSTAINABLE MICROALGAL BIODIESEL

PRODUCTION

Yeimmy Peralta1, Yeniffer Pardo1, Angel Gonza-lez1, Viatcheslav Kafarov1

1Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colom-bia

Department Chemical Engineering E-mail: cisyc@uis.edu.co

Summary

Different solvent based microalgae oil extraction methods were analysed in order to estimate exergy loss and its environmental impacts. Methods evaluated were methanol/chloroform, ethanol/hexane, and hexane extrac-tion, operating conditions for each method were adjusted with experimen-tal work, and conditions for highest efficiency were simulated using the software ASPEN PLUS® 7.1. Environmental impact analysis was devel-oped using SIMAPROTM7.1 software. The ExEA confirms the potential of third generation biofuel as energy source, however is necessary to per-form some technical improvements in the oil extraction stage for increase the exergy efficiency and to reduce environmental impacts of the process.

Keywords Exergy, process simulation, biodiesel, algae oil, environmental impact.

Introduction Given that the energy matrix depends primarily on petroleum and its derivatives, one of the main environmental problems is the emission of greenhouse gases arising from burning fossil fuels, which accelerate global warming. Along with this, it is the depletion of fossil fuels. Biofuels can contribute to an improvement in CO2 emissions; however the methods used in the process can also cause negative environmental impacts, while causing problem with the use of land and large areas are needed to cultivate. Nowadays, the potential of microalgae as feedstock for biofuels is high, due to a high proportion of biomass is com-posed of lipids and carbohydrates and his high photosynthetic efficiency. Methodological Approach For this study three solvent extraction routes were performed using the best experimental conditions found in previous works developed. The microalgae Chlorella sp. was chosen as the representative general. The overall composition of the microalgae is shown in Table 1.

180

Table 1. Composition of the microalgae Chlorella sp.

* Petkov and Garcia 2007. Which are fatty acids of the green alga Chlorella? ** Fowden 1951. The composition of the Bulk Proteins of Chlorella. *** Ververis et al. 2007. Cellulose, hemicelluloses, lignin and ash conten of some organic materials and their suitability for use as paper pulp supple-ments.

Environment Analysis The framework ISO 14040/44 methodology for LCA has been used to evaluate the poten-tial environmental impacts. This methodology is described below: The purpose of this study was to evaluate the potential environmental impact of the three routes of microalgae oil extraction for biodiesel production for making decisions on the commercial scale implementation of this process. Functional unit was established in 12212 kg oilgae/hr. Quantitative mass and energy balances were performed over each route and calculated via simulation using Aspen plus®7.1 software. The environmental analysis was made using SIMAPROTM 7.1 software. The method EPD (Ecosystem Damage Potential) 2007 was used in the evaluation of the different impacts.

Figure 1. Comparison of the contribution to the potential impact produced by the three lipid extraction processes.

A comparison of the environmental impact between the three extraction systems assessed in this work are shown in figure 1, observing that the in-situ hexane extraction process has the greatest impact in five of the categories evaluated (Global Warming, Photochemical Oxida-tion, Acidification, Eutrophication, non-Renewable, Fossil).

181

Exergy Analysis

Figure 2. Exergy efficiencies for the extraction methods.

The global mass and exergy balance of the Ethanol– Hexane, Methanol-Chloroform and In situ Hexane extraction methods shows that the major exergy inputs are the microalgae oil, Ethanol, Methanol and Hexane, respectively. For three methods evaluated, the major ex-ergy output is given by the solids stream. The amount of exergy input is not converted into useful exergy in the process was called "exergy loss." The exergy efficiency of in situ hexane extraction method is high because there are no waste streams present as in etha-nol-hexane and methanol-chloroform extraction methods. Conclusions Environmental profile obtained in this study shows that oil extraction with hexane presents the highest potential impacts owing to biomass/solvent ratio used. However taking into account the energetic point of view, this route presents the highest exergetic efficiency, because of the absence of residual streams in this route. If the solids streams for three ex-traction routes evaluated were taken as a co product of the process, exergetic efficiency would be increased and environmental impacts could be decreased. References [1] L. Dincer, M. Hussain, I. Al-Zaharnah, Energy and exergy use in public and private sector of

Saudi Arabia, Energ. Policy. 32.151 (2004) 1615-24. [2] Y. Chisti, Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25 (2007) 294–306. [3] T. Minowa, S. Yokoyama, M. Kishimoto, T. Okakurat, Oil production from algal cells of

Dunaliella tertiolecta by direct thermochemical liquefaction. J. Fuel (1995) 74 1735–1738.

182

INFLUENCIA DEL GLICEROL RESIDUAL Y ACETATO EN EL CRECIMIENTO Y DEPOSICIÓN DE LÍPIDOS EN Chlorella vulgaris

UTEX 1803 (Biocombustibles y Co-productos a partir de las microalgas)

Laura Estévez-Landazábal1, Andrés Barajas-Solano2, Crisóstomo Barajas-

Ferreria y Viatcheslav Kafarov3

Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación en Desarrollo Sostenible en Industria y Energía CIDES.

1. lauraluciae@gmail.com 2. andresfdobarajas@gmail.com

Introducción

Para los cultivos mixotróficos de microalgas son necesarias fuentes de carbono económicas y ambientalmente viables (1). En el presente estudio, se analizó la in-fluencia del glicerol residual y acetato en el crecimiento y deposición de lípidos en C. vulgaris a escala de laboratorio con el fin de encontrarle uso a residuos orgáni-cos obtenidos en la producción de biodiesel y otros procesos, permitiendo un pro-ceso de reciclaje en el cual se generan biomasa y lípidos en corto tiempo.

Materiales y Métodos Se empleó la cepa Chlorella vulgaris UTEX 1803 obtenida de la colección de cul-tivo de algas de la Universidad de Texas. Los cultivos se realizaron en botellas de plástico de 2L, en ciclos de 12h luz/oscuridad a un rango de temperatura entre 23 y 25ºC, al medio de cultivo Bold basal se le modificó la concentración de nitrato empleando el 100%, 50% o 35% de la solución Stock y se le agregaron diferentes concentraciones de glicerol o acetato según el tratamiento. Diariamente se realizaron mediciones de clorofila total, nitratos y fosfatos consu-midos. Adicionalmente se tomaron muestras de peso seco y densidad óptica para determinar la concentración de la biomasa; La extracción de lípidos fue realizada siguiendo el protocolo Soxhlet con hexano, modificado por el centro de investiga-ción CIDES. Para identificar si existían diferencias estadísticamente significativas en la produc-ción de biomasa y clorofila total, se utilizó un ANOVA factorial o su equivalente no paramétrico Kruskal-Wallis en el software Statistica 10. Después se realizó una prueba de comparaciones a posteriori para los datos que reportaron diferencias significativas en el ANOVA (P<0,05) y así establecer cuales tratamientos diferían en las variables estudiadas.

183

Resultados y Discusión Los cultivos adicionados con glicerol residual y acetato que presentaron incremen-tos estadísticamente significativos en la producción de biomasa comparados con el cultivo control fueron: 10% v/v glicerol: 100% nitrato y 20mM acetato: 100% ni-trato. En la Figura 1 se observan los resultados de los tratamientos que presentaban los mayores porcentajes lipídicos, o los mayores porcentajes de biomasa y el culti-vo control. Se observa que los mayores valores de crecimiento no corresponden a los mayores valores de porcentaje lipídico, esto es debido al balance existente entre las rutas metabólicas centrales y las rutas metabólicas de almacenamiento de energ-ía, comúnmente un incremento en el contenido de lípidos coincide con el descenso en el crecimiento y división celulares (2). También se puede apreciar que Chlorella vulgaris tiene la capacidad de utilizar tanto glicerol como acetato para la síntesis de lípidos, lo cual abre la oportunidad para el futuro de emplear estos residuos indus-triales en cultivos cuya biomasa esté destinada a la producción de biodiesel.

Figura 1. Porcentaje de contenido de lípidos en los mejores tratamientos en relación con la concentra-ción de biomasa final. C.B.: Concentración de biomasa, n=3. N: nitrato.

Conclusión

El glicerol residual y el acetato pueden ser empleados exitosamente como fuente de carbono orgánico para producir biomasa y lípidos en Chlorella vulgaris.

Agradecimientos: Al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural por el apoyo financiero, al Instituto Colombiano del Petróleo y a la Universidad Industrial de Santander por el aporte intelec-tual.

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4,3

8,7

1,6

9,4 8,5

1,751,88

3,15

1,8

3,14

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0123456789

10

Control 10mM Acetato

50%N

20mM Acetato 100%N

1% v/v Glicerol

35%N

10% v/v Glicerol 100%N

Tratamiento

% Lípidos

C. B. (g/L)

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APROVECHAMIENTO DE BIOMASA DE LA MICROALGA Amp-hiprora sp. PARA LA OBTENCIÓN DE PIGMENTOS, FICOBILI-

PROTEÍNAS Y LÍPIDOS BAJO EL CONCEPTO DE BIOREFINER-ÍA

(Biocombustibles y Co-productos a partir de Microalgas)

Erika Amaya, Lina García, Ángel-Darío González-Delgado1 y Viatcheslav Kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en

Industria y Energía, Cra 27 Cll 9 Bucaramanga, Colombia. Email: cisyc@uis.edu.co

Introducción Actualmente se está investigando el potencial de las microalgas como materia

prima para la producción de biocombustibles, sin embargo éstas también contienen productos de alto valor agregado como pigmentos, biliproteínas, entre otros, los cuales muchas veces son desaprovechados debido a que se retiran de las microalgas junto con los extractos lipídicos influyendo negativamente en las características finales del biodiesel producido, por lo que es de gran importancia separar estos componentes para obtener mas productos y a su vez conseguir un extracto lipídico con menos cantidad de impurezas, abordando el concepto de biorefinería. En este estudio, se evalúan las variables que afectan la obtención de pigmentos, ficobilipro-teínas y lípidos para la producción de biodiesel utilizando biomasa seca de la mi-croalga Amphiprora sp.

Materiales y Métodos Inicialmente se evaluaron distintos sistemas de solventes para la extracción de

los productos de interés; posteriormente se ejecutó un diseño experimental para estudiar el efecto de las variables temperatura, tiempo y relación biomasa/solvente en el porcentaje de pigmentos, ficobiliproteínas y lípidos extraídos. Para la cuanti-ficación de pigmentos y ficobiliproteínas se utilizó espectrometría UV-Visible y para la extracción de aceite crudo se utilizó el método Soxhlet, por último se reali-zó un análisis estadístico con el fin de identificar qué variables afectan significati-vamente la extracción de estos componentes microalgales.

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Resultados

Figura 1. Efecto del solvente en la extracción de clorofilas.

Figura 2. Diagrame de superficie de Respuesta, para analizar el efecto de las variables estudiadas

sobre la extracción de APC. Conclusiones Las mejores condiciones para la obtención de pigmentos, ficobiliproteínas y ex-

tracto lipídico se dan a una relación biomasa/solvente de 1/10 g/mL, temperatura de 45 °C y tiempo de 4 h, siendo la relación biomasa/solvente la variable mas in-fluyente en los dos casos.

Referencias a. González-Delgado AD, Kafarov V. Microalgae based biorefinery: Issues to consider. CT&F - Cienc, Tecnol Futuro 2011;4:16-26. b. Peralta Y, Sanchez E, Kafarov V. Exergy analysis for third generation biofuel production from microalgae biomass. Chem Eng Transact 2010;21:1363-8.

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HYDROTREATING OF ALGAE OIL FOR THIRD GENERATION BIOFUELS PRODUCTION

(Biocombustibles y co-productos a partir de Microalgas)

Vladimir Plata-Chávez1, Angélica Camacho-Rubiano1, Andrea Gutiérrez-Gómez1, Viatcheslav Kafarov1 y Alexander Guzmán-Monsalve2

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en

Industria y Energía, Carrera 27 calle 9, Bucaramanga, vladimirplata@gmail.com 2. Instituto Colombiano del petrolero ICP, Piedecuesta

Introduction Biodiesel is produced mainly by transesterification. This process has many ben-

efits; however, new biodiesel plants must be built requiring a large capital invest-ment a. An alternative route for biodiesel synthesis is hydrotreating. Moreover there is currently widespread interest in cultivation of different algae species, whose oil can also be used as feedstock in the production of biodiesel. This paper presents hydroprocessing of synthetic algae oil (SAO). This synthetic algae oil simulates the fatty acid composition of Chlorella vulgaris oil.

Materials and methods The fatty acids in Chlorella vulgaris oil for outdoor cultivation b were grouped

according to their degree of unsaturation. Thus, 14:0, 16:0 and 18:0 were grouped as saturated fatty acids. Similarly, mono-unsaturated, di-unsaturated and tri-unsaturated were grouped. Different combinations of oils were tested in order to find a mixture that fulfilled the system of linear equations formed by equations 1, 2, 3 and 4 in figure 1.

Figure 1. An ideal mixing unit to produce SAO

Hydrogenation of the SAO was performed employing a conventional hydrotrea-

ting catalyst. All experiments were conducted in a trickled-bed reactor and reaction conditions were adjusted in 350 ºC, LHSV of 2 h-1, feed flow 120 mL/h and hydro-gen flow 472 mL/h. The process hydrogen pressure was varied from 40-90 bar.

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Product samples were collected and analyzed for cetane index, kinematic viscosity at 40 °C, acidity number, bromine number and simulated distillation.

Results and discussion It was found that the mixture of 729.33 g of linseed oil, 240.09 g of sunflower

oil, 8.76 g of olive oil and 21.92 g of palm superstearin are required to prepare 1 kg of SAO. It can be noted from table 1 that, at 40 bar, renewable diesel obtained from SAO (RDSAO) has a lower cetane number and higher kinematic viscosity than Biocetano®. This may be due to a decrease in the selectivity to normal paraffins C15, C16, C17 and C18 for hydrotreating of SAO, as can be observed from the simulated distillation cuts of hydrogenation products. RDSAO presents a higher volume % of products with boiling points in the range between 344 ºC and FBP. It may be also seen from table 1 that an increase in hydrogen pressure positively af-fects the properties of RDSAO, especially bromine and acid number. From table 2, selectivity to diesel range hydrocarbons 221–344 ºC is improved in 1.3%. As can be inferred from table 1, RDSAO fulfills most of the specifications required for a diesel.

Table 1. Properties of renewable diesel obtained from SAO and crude palm oil

Property Units Limits Biocetano® RDSAO

40 bar 40 bar 90 bar

Cetane number 45 min 92.50 79.13 79.90

Kinematic viscosity mm2/s 1.9-6.0 3.692 4.822 4.589

Bromine number g Br2/g 5.75 6.40 0.40

Acid number mg KOH/g 0.5 max 1.5 3.75 <0.10

Table 2. Simulated distillation cuts of hydrogenation products

Distillation cuts Biocetano® RDSAO

40 bar 40 bar 90 bar

IBP – 221 °C 0.9 2.3 2.3

221 – 344 °C 89.9 77.1 78.4

344 – FBP 8.2 19.6 18.3

Conclusions The greater the hydrogen pressure, the greater the selectivity to diesel range hy-

drocarbons. Compared to Biocetano®, renewable diesel from synthetic algae oil had a less cetane number and higher viscosity and bromine and acid number. Ho-wever, these properties fulfilled most of the specifications required for a diesel compatible biofuel. An increasing in hydrogen pressure improved those properties.

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Referencias a. Huber G.W., Iborra S. and Corma A., 2006, Synthesis of transportation fuels from biomass:

chemistry, catalysts, and engineering, Chem. Rev. 106, 4044-4098. b. Petkov, G., and Garcia, G., 2007, Which are fatty acids of the green alga Chlorella?, Biochem.

Syst. Ecol. 35, 281-285.

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EVALUATION OF SUSTAINABILITY OF SOLVENT EXTRAC-TION PROCESS FOR ALGAE BIODIESEL PRODUCTION

Yeniffer Pardo,1 Yeimmy Peralta,1 Angel Gonzalez,1 Viatcheslav Kafarov 1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en Industrial y Energía, Cra 27 con calle 9, y kafarov@uis.edu.co

Introduction Algae biodiesel production has attracted the interest of scientific community. The potential of microalgae as feedstock for biofuels is high, due to its elevated content of lipids and carbohydrates high photosynthetic efficiency, besides the potential to offer a considerable amount of fuel from small crop areas and lower production costs. Microalgae oil extraction is an important step in the biodiesel production chain, which efficiency is related to global efficiency of the process. In recent years, studies about microalgae oil extraction for biodiesel production are taking importance and different solvent-based lipid extraction methods has been used in lab scale for obtaining lipids and other products from microalgae biomass, however for an effective scaling-up of these methods, is necessary a deeper evaluation ow-ing to besides high lipid yields, a sustainable production chain must take into ac-count environmental aspects and energy requirements. Process system engineering provides several tools for an adequate design, adjustment and selection of the more convenient microalgae oil extraction methods to perform in big scale. Methodology The framework established by the ISO 14040-14044:2006 has been used to evalu-ate the potential environmental impacts. The purpose of this study was to evaluate the potential environmental impact of the three routes of microalgae oil extraction for biodiesel production for making decisions on the commercial scale implementa-tion of this process. The function of the product was to serve as fuel. Functional unit was established in 12.212 kg oilgae/hr. The “system boundaries” used in this study encompassed the stages directly used to produce oil from algae biomass dried to obtain algae oil. Physical and chemical exergy of each stream of the process were cal-culated with the help of the thermodynamic properties calculated by Aspen Plus. Results and Discussion The microalgae Chlorella sp. was chosen as the representative genera, because it has high rates of grown and can produce large quantities of lipids when grown under nitrogen limitation [c]. The overall composition of the microalgae to em-ployment for these case studies is carbohydrates 25%, lipids 30% (fatty acid 5.11% and triglycerides 94.89%) [b], proteins 40 % [a] and humidity 5%. Mass and ener-gy balances were performed over each route and calculated via simulation.

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Impact Assessment: The method EPD (Ecosystem Damage Potential) 2007 was used in the evaluation of the different impacts. A comparison of the environmental impact between the three extraction systems was developed, observing that the in-situ hexane extraction process has the greatest impact in all categories evaluated, this is mainly due to the dried biomass/hexane ratio and the energy requirements in the solid-liquid separation (hydrocyclone, pump and filter) at the system's input. Exergy analysis: The global mass and exergy balance of the Ethanol– Hexane, Methanol-Chloroform and In situ Hexane extraction methods shows that the major exergy inputs are the microalgae oil, ethanol, methanol and hexane, respectively. The amount of exergy input is not converted into useful exergy in the process was called "exergy loss". Total irreversibilities, exergy of waste and exergy industrial services were calculated for each route. The highest value was for ethanol-hexane method with 7’218.886 MJ, 2’304.918 MJ and 5’884.884 MJ respectively. This analysis showed that is necessary perform some technical improvements to de-crease this values. The highest exergy efficiency was 45% for methanol-chloroform method, 37% for In Situ-Hexane and 13% for ethanol-hexane method. Exergy efficiency of Metanol-Choloroform extraction method is the highest be-cause their industrial services requirements are minor compared with the other routes. Conclusions Environmental profile obtained in this study shows that oil extraction with ethanol-hexane mixture presents the lowest potential impacts owing to biomass/solvent ratio used. However taking into account the energetic point of view, this route pre-sents the lowest exergetic efficiency, the highest exergy losses for waste and irreversibilites, also, presents the highest industrial services. If is perform an energy integration process, exergetic efficiency would be increased and environmental impacts could be decreased. References a. L. Fowden, 1951, Composition of the Bulk Proteins of Chlorella. Department of Botany, 355 – 358. b. G. Petkov, G. Garcia, 2007, Which Are Fatty Acids of The Green Alga Chlorel-la?. Biochemical Systematics and Ecology 35: 281 – 285. c. A. L. Stephenson, J. S. Dennis, C. J. Howe, S. A. Scott, A. G. Smith, 2010 Bio-fuels, 1, 47-58.

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DESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA DE SUMINISTRO DE CO2 A CULTIVOS DE LA MICROALGA Botryococcus braunii OP-TIMIZANDO SU CAPTURA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIO-

COMBUSTIBLES DE TERCERA GENERACIÓN (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Nestor A. Jaimes1, Viatcheslav Kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en

Industria y Energía (CIDES), Ciudad Universitaria Carrera 27 – Calle 9, cisyc@uis.edu.co.

Introducción El mundo consumió un equivalente de 131.000 GW/h de electricidad en 2004, y aproximadamente el 86% de la energía provenía de la quema de combustibles fósi-les, que liberaron cerca de 29.000.000.000 de toneladas de CO2 a la atmósfera [1]. Se espera que este consumo se incremente significativamente como consecuencia del creciente desarrollo económico de naciones subdesarrolladas. Debido a que gran parte de esta energía se deriva de suministros fósiles, existen serias preocupa-ciones acerca de los niveles actuales de emisiones de CO2, considerado el principal Gas de Efecto Invernadero , además del rápido agotamiento de las reservas de pe-tróleo, lo cual hace pensar que el uso de combustibles fósiles como fuente de ener-gía es insostenible [2]. Tal vez, la única forma realista para afrontar este problema es encontrar (una combinación de) fuentes de energía renovables, las cuales cubran la demanda mundial mientras limitan la emisión de CO2. En este orden de ideas, una opción viable es a través de la fotosíntesis natural. Tales biocombustibles son neu-trales de carbono, y si son producidos adecuadamente, ningún combustible fósil adicional es necesario para su producción [3]. El alga verde productora de aceites, Botryococcus braunii, es una prometedora fuente renovable como substituto del petróleo ya que esta produce hidrocarburos fijando CO2 atmosférico fotosintéticamente [4]. Estado Del Arte Microalgas Son un grupo de microorganismos que necesitan dos cosas fundamentales para crecer; una fuente de carbono (CO2), y una fuente de energía (luz). El suministro y el control eficiente de estos parámetros definen la producción final [5]. El alga verde Botryococcus braunii tiene 3 diferentes tipos o "razas químicas", que se diferencian por el tipo de hidrocarburos que producen [36]. El tipo B (caso de estudio) produce hidrocarburos triterpenos C30-C37 mejor conocidos como botrio-cocenos . Estos pueden llegar a ser entre el 30 y 40% de la biomasa seca [6].Los altos niveles de botriococenos han elevado la posibilidad de explotar comercial-mente este organismo, con la intención de producir biocombustibles [7].

192

CO2, Suministro y fijación En los cultivos microalgales, el CO2 disuelto en el cultivo es consumido continua-mente por las células, una parte de este CO2 se convierte en biomasa y otra parte se libera en forma de O2, producido a través de la fotosíntesis algal[8]. Las actuales tecnologías para la transferencia del CO2 en cultivos microalgales sufren de inefici-encias en la transferencia de masa del CO2 desde la fase gaseosa a la liquida, ade-más, la eficiencia de captura o fijación del CO2 en sistemas de cultivo cerrado de-pende principalmente de la especie de microalga, la concentración del CO2 y del fotobioreactor [9]. Sistemas de Cultivo El acoplamiento del cultivo de microalgas con la biofijación de CO2 tiene el poten-cial para reducir los costos de medios de cultivo de microlagas a escala industrial compensar las emisiones de carbono [10]. Fotobiorreactores adecuadamente diseña-dos pueden reducir el área de cultivo mediante la distribución vertical de los orga-nismos; los fotobiorreactores tubulares verticales también aumentan el tiempo de residencia del CO2 en el medio de cultivo y la eficiencia de utilización de este [11]. Los cultivos también pueden llevarse a cabo en fotobiorreactores en serie, en los cuales el efluente de CO2 sin usar de un fotobiorreactor se utilice para alimentar otro subsecuente [9]. Metodologia

1. Determinar la influencia de los parámetros tecnológicos y del proceso res-pecto a la fijación de CO2 en medios de cultivos específicos para B. braunii y la tasa de consumo de este por parte de los microorganismos.

2. Establecer el efecto de la concentración de CO2 en el medio de cultivo respecto a la velocidad de crecimiento celular y deposición de hidrocarbu-ros (botriococenos).

3. Evaluar la influencia del conjunto de variables de suministro de CO2 (in-yección en pulsos y continua, estacionaria y no estacionaria, flujo puro o en mezcla), en la producción de biomasa y de botriococenos.

Conclusión A partir del estudio de las de las variables claves de transferencia de CO2 para el crecimiento a escala de laboratorio de una cepa de alga nativa colombiana de la especie Botryococus braunii, es posible desarrollar e implementar una metodología de suministro programado de CO2 a cultivos de microalga Botryococcus Braunii que minimice perdidas en su captura y maximice la producción de materia prima para desarrollar biocombustibles de tercera generación. Referencias [1] Raupach M.R, Marland G, Ciais P, Quere C. L, Candell J.G, Klepper G, Field C.B, (2007).Global and regional drivers of accelerating CO2 emissions. PNAS;104:10288–93.

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[2] Anemaet I.G, Bekker M, Hellingwerf K.J, (2010).Algal Photosynthesis as the Primary Driver for Sustainable Development in Energy, Feed, and Food Production. Mar Biotechnology. 12:619–629. [3] Lynd L, Greene N, Dale B, Laser M, Lashof D, and Wang M, Wyman C, (2006). Science 312 (5781):1746–1748. [4] Banerjee A, Sharma R, Chisti Y, Banerjee U.C, (2002). Botryococcus braunii: a renewable source of hydrocarbons and other chemicals. Crit. Rev. Biotechnol. 22 (3), 245–279. [5] Csogör Z, Herrenbauer M, Schmidt K, Posten C, (2001). Light distribution in a novel photobioreactor – modelling for optimization. Journ Appl Phycol 13: 325–333. [6] Metzger P, Largeau C, (2005). Botryococcus braunii: a rich source for hydrocarbons and related ether lipids. Appl. Microbiol. Biotechnol. 66, 486–496. [7] Casadevall E, Dif D, Largeau C, Gudin C, Chaumont D, Desanti O, (1985). Studies on batch and continuous cultures of Botryococcus braunii: hydrocarbon production in relation to physiological state, cell ultrastructure, and phosphate nutrition. Biotechnol. Bioeng. 27, 286–295. [8] Cheng L, Zhang L, Chen H, (2006). Carbon dioxide removal from air by microalgae cultured in a membrane-photobioreactor. Separation and Purification Technology 50, 324–329. [9] Beneman J.R, Hughes E, (1997). Biological fossil CO2 mitigation. Energy Convers. Manage. 38, S467–S473. [10] Beneman J.R, Hughes E, (1997). Biological fossil CO2 mitigation. Energy Convers. Manage. 38, S467–S473. [11] Ono E, Cuello J.L, (2004). Design parameters of solar concentrating systems for CO2 mitigating algal photobioreactors. Energy 29, 1651–1657.

194

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL SUMINISTRO DE CO2 EN LA PRODUCCION DE BIOMASA DE LA ESPECIE Chlorella vulgaris

EN UN FOTOBIORREACTOR A ESCALA LABORATORIO (Biocombustibles y co-productos a partir de microalgas)

Nestor A. Jaimes1, Andrés Barajas1, Viatcheslav Kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en

Industria y Energía (CIDES), Ciudad Universitaria Carrera 27 – Calle 9, cisyc@uis.edu.co. Introducción Debido al agotamiento de las reservas de petróleo y a las consecuencias ambienta-les del uso excesivo de los combustibles fósiles, la producción de combustibles alternativos recibe gran atención [1, 2,3]. Entre los reemplazos a los combustibles fósiles, el Biodiesel es uno de los más importantes [1], ya que puede ser producido por diversas materias primas, entre estas, lípidos provenientes de Microalgas [4]. La fijación biológica de CO2 en microorganismos es un posible mecanismo de reducción de emisiones, y las microalgas cumplen los requerimientos para esta fijación. Es factible que las algas toleren grandes concentraciones de CO2 y altas temperaturas y sean la solución más indicada para reducir emisiones de CO2 [5]. Uno de los aspectos más relevantes a la hora de diseñar el fotobiorreactor y que afecta fuertemente el crecimiento de las microalgas, es la transferencia del CO2 de la fase de gas a la fase acuosa, ya que las células solo consumen el CO2 en su forma disuelta [6]. Este trabajo pretende estudiar la influencia de la inyección de CO2 a diferentes concentraciones en el crecimiento de un cultivo de Chlorella vulgaris en un fotobiorreactor a escala laboratorio. Se realizaron pruebas para determinar que concentración de CO2 es la optima en la producción de biomasa, teniendo en cuenta tiempos de inyección, dilución de CO2 en el medio y las variaciones del pH. Materiales y Métodos Microorganismos y Medio de Cultivo Se utilizó una microalga verde, Chlorella vulgaris UTEX 1803, obtenida de la colección de cultivo de algas en la Universidad de Texas. Se usó un medio de cul-tivo para freshwater algae, llamado Bold Basal, el cual fue preparado según especi-ficaciones técnicas, para un volumen de trabajo de 2 litros Fotobiorreactores e Inyección de CO2 Como reactores fueron usadas botellas de plástico de 2 litros y medio. Se usaron 12 reactores; 3 para pruebas de pH y 9 para inyecciones de CO2, realizadas a diferen-tes intervalos de tiempo 15, 30 y 60 minutos y a concentraciones de 6% m/v, 12%m/v y 18%m/v. Los reactores se ubicaron de tal manera que recibieran buena cantidad de luz durante todo el ciclo de día. Se les suministro aire constantemente de un compresor (120 HP) durante el tiempo de cultivo y suministro de CO2.

195

Medición de Concentración Celular Se tomaron dos muestras diarias de 3 ml (en la mañana antes de inyectar y en la noche al terminar de inyectar), de cada reactor, y se agitaban para homogenizar. Las muestras se diluían en agua destilada y luego se realizaba la medición de ab-sorbancia con un espectrofotómetro (Spectroquant Phara 300 Merck). La concen-tración de cepa fue determinada según la ley de Beer-Lambert. Resultados y Discusión En la gráfica de productividad (Figura 1) se ve claramente que la mayor producti-vidad se presenta a un bajo intervalo de tiempo, y con la concentración más peque-ña, aunque en el mayor intervalo y con la concentración más alta, también se obtu-vo una alta productividad. Conclusiones Se encontró una incidencia muy positiva al inyectar CO2 puro en un cultivo de microalgas, ya que en un periodo corto de solo 5 días se dobló la concentración de la biomasa en prácticamente todos los cultivos en comparación con un cultivo sin inyección de CO2. Se comprobó también que a pesar del potencial para acidificar el medio que tiene el CO2 inyectado puro, el pH alcanzo un equilibrio en el cultivo, sin llegar a ser perjudicial para los microorganismos. La inyección de CO2 puro en diferente tiempos, dio como resultado que para que se presente un alto crecimiento celular, lo óptimo es realizar inyecciones a bajas con-centraciones y cortos intervalos de tiempo (6% m/v cada 15 minutos), o inyectar altas concentraciones pero a intervalos de tiempo mayores (18% m/v cada 60 minu-tos). Referencias [1] Ma, F. Hanna, M. (1999) Biodiesel production: a review. Biores Tech, 70: 1-15 [2] Chisti Y. (2007). Biodiesel form Microalgae. Biotech Adv. 25: 294-306. [3] Meng X. Yang J. Xu X. Zhang L. Nie Q. Xian M. (2008). Biodiesel production from oleaginous microorganisms. Rev. Ener. 34:1-5.

Figuar 1. Prductividad en cada Fotobiorreactor

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[4] Song, D. Fu, J. Shi, D. (2008). Exploitation of Oil-Bearing Microalgae for Biodiesel. Chin. Jour. Biotech. 24: 341-348. [5] Hannagata N, Takeuchi T. Fukuju Y. Barnes D and Karube I. (1992). Tolerance of microalgae to High CO2 and high temperature. Phytochemistry. 31: 3345-3348. [6] Hill, G. A. (2006). Measurement of Overall Volumetric Mass Transfer Coefficients for Carbon Dioxide in a Well-Mixed Reactor Using a pH Probe. Ind. Eng. Chem. Res. 45, 5796-5800.

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ESTUDIO DEL PROCESO DE SINTESIS DE ETILENO A PARTIR DE BIOETANOL UTILIZANDO HIDROXIAPATITA COMO CA-

TALIZADOR (Biorefineria)

Vásquez Jasson1, García Duban1 y Carreño Luz Ángela2

1. Universidad Industrial de Santander, Laboratorio de Investigación en química sostenible (LIQS), jasson.vasquez@correo.uis.edu.co

Introducción Debido a la disminución de la disponibilidad de combustibles y los precios altos

del crudo de petróleo y gas natural, se presta mucha atención al uso de alternativas para obtener recursos energéticos. El etanol es un compuesto de interés prioritario en el sector de los biocombustibles, se produce principalmente por la fermentación de maíz y otros recursos renovables. La conversión de biomasa en los últimos años, por ejemplo, la producción de bioetanol (de fermentación de biomasa), la produc-ción de biodiésel, la conversión de glicerol y la deshidratación de bioetanol en el etileno, etc. Estos son algunos ejemplos de los múltiples procesos que buscan ofre-cer una alternativa energética viable. Actualmente existen diversos complejos que producen etanol industrialmente, pero presenta diversos problemas para utilizarse como combustible, así que se piensa en sintetizar moléculas diferentes a partir de este. El presente trabajo muestra una ruta para la producción de etileno a partir de etanol, con catalizadores de hidroxiapatita, donde se obtiene una molécula altamen-te reactiva y útil para la industria energética y de la síntesis orgánica, que posee mejores propiedades químicas y que aprovecharía la actual producción en masa de etanol.

Materiales y Métodos La reacción de conversión de etanol a etileno, se lleva a cabo en un montaje de

laboratorio, que consta de la cámara de evaporación, el horno de reacción y el sis-tema CG. Para la primera parte se adecuará un sistema de bombeo peristáltico, controladores de flujo, de presión y una línea de evaporación con una correa térmi-ca, con un termómetro para controlar la temperatura. Esto se acoplará al horno, y se colocará una válvula de dos pasos para permitir la entrada de gas nitrógeno para la limpieza del reactor.

199

Figura 1. Montaje catalítico experimental para la reacción de conversión1.

Metodologia 1. Síntesis y caracterización de las HAP:El catalizador se sintetizará me-

diante el método de precipitación, seleccionado según estudios anteriores,2,3 con variaciones en la relación Ca/P y en la temperatura de calcinación, para obtener diferentes catalizadores de HAP no estequiométricos. Posteriormente se caracteri-zarán utilizando UV-Vis, A.A. y DRx.

2. Desarrollo de experimentos para la optimización de variables: Con la automatización del montaje se realizaran experimentos para las diferentes relacio-nes Ca/P de las HAP´s y temperaturas de calcinación. A su vez en el montaje se variaran parámetros como el tiempo de contacto y la presión en el reactor, buscan-do la mayor conversión y selectividad hacia etileno y buscando el mejor tipo de HAP.

3. Obtención y análisis de productos: Los productos obtenidos de la reac-ción se analizaran mediante un sistema clásico de condensación a reflujo y poste-riormente se identificaran utilizando MS. Se calculará el rendimiento final de pro-ducción de etileno, que se espera sea superior al 90%. Mediante el método Karl-Fisher se analizará la humedad de la muestra de bioetanol, para estudiar su efecto sobre la reacción variando la cantidad de agua de entrada.

Resultados y discusión La hidroxiapatita sintetizada de mejor rendimiento fue la de relación Ca/P 1.65,

en vista de las propiedades catalíticas que permitían la protonación del etanol para luego realizar una deshidratación según el mecanismo de reacción de alcoholes primarios. La caracterización mediante IR y DRX arrojo que era hidroxiapatita sin más fases presentes y no-estequiométrica sin presencia de grupos HPO3.

En el montaje se variaron tiempos de contacto y presiones en el reactor para una cantidad fija de catalizador, para valores de alto tiempo de contacto se obtuvo la mayor conversión (90%), debido a que a mayores tiempos de contacto entre el catalizador y la molécula de etanol, esta se puede protonar mas efectivamente para luego realizar la deshidratación, favorecida por los sitios básicos disponibles.

200

Aún está por desarrollarse la fase de cuantificación de la cantidad de agua pre-sente en el etanol inicial y su efecto en la reacción puesto que sería una gran venta-ja trabajar con etanol que no deba ser anhidro. La temperatura de reacción se estu-dió y se obtuvo que la de mejores rendimientos es de 400ºC. Los productos de la reacción obtenidos por espectrometría de masas son etileno, etanol, acetaldehído y acetileno, los cuales son posibles por la acidez-basicidad del catalizador.

Conclusiones

• La hidroxiapatita de relación molar 1.65 Ca/P permite obtener un 90% de rendimiento en la reacción de deshidratación de etanol para producir etileno. Los productos secundarios obtenidos en la reacción (etanol, acetileno, acetaldehído) se pueden separar fácilmente mediante destila-ción flash para obtener etileno de alta pureza para síntesis orgánica y demás usos que lo requieran.

Agradecimientos No se dejarán líneas en blanco ni antes ni después del párrafo, puesto que de ello se encargará

automáticamente la plantilla de estilos.A Dios, a mi familia, a mis compañeros y directora, a Paula al laboratorio (LIQS) y a la universidad UIS.

Referencias [1] Ibarra, K. P.; Portillo, D. J. Optimización de la reacción catalítica para la producción de n-

butanol y sus isómeros a partir de bioetanol sobre catalizador de hidroxiapatitas. Proyecto de grado. Bucaramanga, Santander: Universidad Industrial de Santander, Escuela de Química, 2010.

[2] BOSE, Susmita and KUMAR SAHA, Susanta. “Synthesis and Characterization of Hydroxy-apatite Nanopowders by Emulsion TechniqueChem”. En: Mater., Vol.15(2003); p.4464-4469.

[3] SECKLER, Marcelo; CARRODEGUAS, Raúl; SILAS, Derenzo; GIULIETTi, Rafael. Técni-cas de obtención de hidroxiapatitas y otros fosfatos de calcio. Instituto de Pesquisas Tecnológicas, Sao Pablo, Brasil

[4] Comparison of four catalysts in the catalytic dehydration of ethanol to ethylene Xian Zhang, Rijie Wang, Xiaoxia Yang *, Fengbao Zhang School of Chemical Engineering and

Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, PR China [5] Amaya, A.; Sarmiento, M. Síntesis y caracterización de hidroxiapatitas no estequiométricas

por los métodos de precipitación, sol-gel y combustión. Proyecto de grado. Bucaramanga, Santander: Universidad Industrial de Santander, Escuela de Química, 2009

201

ANALISIS DE LA SELECTIVIDAD DE BUTANOL EN LA REAC-CION DE SÍNTESIS CATALITICA SOBRE HIDROXIAPATITA

(Biorefinerias)

D. F. GARCIA NAVAS1, J. A. VÁSQUEZ LIZARAZO1, C. BARAJAS FE-RREIRA2 y L. A. CARREÑO DÍAZ1

1. Universidad Industrial de Santander, Laboratorio de Investigación en Química Sostenible, Cll 9 Cra

27 Laboratorios de Posgrado Laboratorio 201, duban.garcia.n@gmail.com 2. Universidad Industrial de Santander, Escuela de Ingeniería Química, Cll 9 Cra, cbara-

jas@uis.edu.co

Introducción Actualmente se estudian diversas posibles soluciones a los problemas que pre-

senta el etanol como biocombustible mezclado con la gasolina; una opción es re-emplazarlo por un alcohol superior como el butanol. El butanol posee característi-cas como menor volatilidad, mayor poder calorífico y no forma azeótropos con el agua. Uno de los procesos viables para obtenerlo es por síntesis catalítica partiendo de etanol.

A través de la historia se han venido probando catalizadores que cumplan con dicho propósito que en general deben ser capaces de realizar dos procesos una des-hidrogenación, y posteriormente una condensación aldólica. En años recientes se ha encontrado que la hidroxiapatita puede cumplir con dichos requerimientos con valores aceptables de conversión y selectividad. En el presente estudio se sintetizó hidroxiapatita con diferentes parámetros y se evaluó su desempeño en la reacción.

Materiales y Métodos Todos los reactivos usados son adquiridos de Merck S.A. La hidroxiapatita fue

preparada por el método de precipitación, partiendo de soluciones 0,6 y 0,4 M de Ca(NO3)24H2O y (NH4)2HPO4 respectivamente, ajustando previamente su pH con solución concentrada de NH4OH. Luego el precipitado formado se filtró, se lavó y se secó a 100ºC. La sustancia resultante se pulverizó y se calcinó a diferentes tem-peraturas y se obtuvo el polvo de hidroxiapatita.

Para la caracterización de la hidroxiapatita se utilizaron las técnicas IR en un equipo Tensor 27 Bruker mediante pastillaje con KBr, Difracción de Rayos X en un difractómetro de polvo marca RIGAKU modelo D-MAX III/B y BET para el área superficial en el equipo NOVA 1200 Gas Sorption equipado con un desgasifi-cador NOVA 1000 DegasserQuantachrome.

El sistema de reacción consiste en un reactor continuo de lecho fijo empacado con pellets de hidroxiapatita con diámetros entre 0,707-0,841mm por el cual fluye etanol previamente evaporado empleando N2 como gas de arrastre. Los productos de reacción son analizados mediante un sistema cromatográfico Shimadzu GC-2014 equipado con un detector FID y una columna capilar apolar BP-1 marca SGE

202

(30 m x 0.32 mm x 0.5 µm). Los productos de reacción también se analizan por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas en un equipo GC-MS Agilent Technologies 6890 N (detector FID y espectrómetro de masas de impacto de electrones, equipado con una columna DB-WAX, 60m x 0,25mm x 0,25µm). La temperatura de reacción se varió entre 400 y 500°C, y la reacción se llevó a cabo a presión atmosférica. Para el cálculo de la selectividad se utilizó la ecuación 1:

[1] Resultados y discusión El polvo blanco obtenido se analizó por infrarrojo donde se encontró que las

bandas más intensas corresponden a la vibración de tensión simétrica y asimétrica del enlace P-O característicos del grupo PO4

3-; mediante difracción de rayos X, se encontró que en todas las muestras predomina la fase de HAP y además se formó otra fase minoritaria correspondiente a β-TCP formada posiblemente por variacio-nes de pH en la síntesis; además, todas las muestras presentaban un área superficial con valores entre 30-50 m2/g.

Uno de los parámetros de síntesis más importantes es la relación molar Ca/P, debido a que la hidroxiapatita puede presentarse en forma no-estequiométrica, dan-do lugar a variaciones en la acidez y basicidad, característica determinante en la catálisis. En la figura 1 se muestra el desempeño de tres hidroxiapatitas sintetizadas con las diferentes relaciones molares de Ca/P:

El otro parámetro importante analizado en el presente estudio es la temperatura de calcinación, pues de esta depende la estructura cristalina del catalizador. En la figura 2 se muestra el desempeño de hidroxiapatitas calcinadas a 450, 600 y 900ºC:

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6

% S

elec

tivid

ad

Espacio-Tiempo [s-1]

Tc450-Ca/P165 Tc450-Ca/P163 Tc450-Ca/P160 Figura 1. Selectividad de n-butanol en función del espacio-tiempo para catalizadores sintetizados

con diferente relación molar Ca/P: 1,65, 1,63 y 162.

203

Los parámetros óptimos de síntesis de hidroxiapatita con el fin de mejorar la se-

lectividad hacia n-butanol son relación molar Ca/P de 1,65 y 450ºC de temperatura de calcinación.

Agradecimientos: Los autores agradecen a la Universidad Industrial de Santander y al Ministe-

rio de Agricultura y Desarrollo Rural por la financiación de este proyecto. Referencias a. Takashi Tsuchida, Jun Kubo, Tetsuya Yoshioka, Shuji Sakuma, Tatsuya Takeguchi, Wataru

Ueda. “Reaction of ethanol over hydroxyapatite affected by Ca/P ratio of catalyst”. Journal of Cataly-sis. J. Catal., Vol. 259, No. 2, 2008, 183–189.

b. Ron Cascone. “Biobutanol-A replacement for a bioethanol?”.Chemical Engineering Pro-gress. Chem. Eng. Prog., Vol. 104, No. 8, 2007, S4-S9.

c. Kiyotomi Kaneda, Kohki Ebitani, Tomoo Mizugaki, and Kohsuke Mori. Design of high-performance heterogeneous metal catalysts for green and sustainable chemistry. Bull. Chem. Soc. Jpn., 79(7):981–1016, 2006

d. Roger T. Clark. Vapor-phase conversion of methanol and ethanol to higher linear primary alcohols by heterogeneous catalysis, US Patent 3,972,952, August 1976.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Sele

ctiv

idad

[%]

Espacio-Tiempo [s-1]

Tc900-Ca/P163 Tc600-Ca/P163 Tc450-Ca/P163 Figura 2. Selectividad de n-butanol en función del espacio-tiempo para catalizadores calcinados

a 900, 600 y 450 ºC.

204

MODELLING MASS AND ENERGY TRANSFER DURING ETHA-NOL SEPARATION BY USING VACUUM MEMBRANE DISTIL-

LATION (Biorefinerías)

Andrés Benavides-Prada, César Guevara-Lastre, Fredy Barón-Nuñez, Crisóstomo

Barajas-Ferreiraa, Beatriz Torrestiana-Sánchez b, Rosa Ortiz-Basurto c, Carlos Muvdi-Novad*.

a CIDES, d CICTA, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. b UNIDA, Instituto Tecnológico de Veracruz, Veracruz, México. c LIIA – Instituto Tecnológico de Tepic, Nayarit, México.

Introduction

Biofuels production has become a relevant topic of research all over the world from which bioethanol industry is a pioneer [1].Hence, identification of improving techniques for ethanol production process is an emergent research opportunity. Product inhibition in ethanol fermentation is a drawback that limits the final yield and obligates the use of batch reactors. An alternative to increase ethanol yields is the use of membrane distillation (MD) and pervaporation (PV) processes to carry out the direct extraction of bioethanol from the reactor, without perturbing yeast growth and fermentation development [2]. Continuous extraction of ethanol will avoid inhibition by product and will increase fermentation yields. Performance of MD in terms of permeation flux can be 103 higher than PV in the ethanol concen-tration range found in fermentations, lowering the membrane surface requirements. MD separation process is driven by differences in partial pressure at both sides of the membrane. In addition, it can be operated under different configurations. In this work a mathematical model including important process and configuration parame-ters has been validated for the Vacuum Membrane Distillation Process (VMDP).

Materials y Methods The process is described by a resistance model. This model establishes three

different zones (see Figure 1):

205

Energy and mass balances were specified for each zone. Constitutive equations for mass and heat fluxes, physical and transport coefficients [3] and pure components properties [4] were also applied. Scilab-5.3.3® was used for the equations solution. In order to validate the model, experimental data were taken from previous works [5],[6],[7],[3]. Once the model has proved its capability to fairly predict the reported data, an analysis of the influence of the process variables and specification was done using StatGraphics Centurion XV. Based on this analysis, the best operation conditions were established and used in the design of a bioethanol production pro-cess.

Analysis and Results The model developed for the MD process was able to predict the experimental

data reported in literature as shown in Figure 2. The obtained model-data was also compared with data found in literature [7],[3]. An 85% of the process was predicted by the simplified model regarding the 80% prediction of the model reported by Soni [3].

Rete

ntat

e

Liquid boundary layer

Gas boundary layer

kl km kg

xfxl

yl

yp yg

Membrane

Perm

eate

Figure 1. Concentration profile for MD

206

Figure 2. Water Flux Vs Temperature (a) and Permeate Ethanol Mass Fraction Vs Temperature (b).

Feed Ethanol Mass Fraction: 5% w/w. Feed velocity: 1,587 m/s. Pressure: 3000 Pa. Membrane 3MC.

A Pareto analysis was performed once the model was validated. The effect of the process variables (temperature, vacuum and feed concentration) and membrane parameters (pore diameter, thickness and porosity) was established. The best pro-cess conditions were thus determined and used for the design of a MD process coupled to one m3 bioreactor.

Conclusions The MD process model was successfully validated. Experimental data was fairly predicted for diluted solutions (< 5% w/w), moderated temperatures (< 70 ºC) and Reynolds Numbers between 50 and 2700. Analysis of the transport phenomena and mechanisms were carried out. This analysis indicated a Knudson diffusion con-trolled process. Moreover, temperature polarization and membrane-cooling showed to be negligible.

Acknowledgments Authors acknowledge to the “Universidad Industrial de Santander” and COLCIENCIAS from the Colombian government, as well as to the “Instituto Tecnológico de Veracruz”, the “Instituto Tecnológico de Tepic” and the CONACYT, from the Mexican government, for the financial support to carry out this work. References

[1] Seungdo Kim , Bruce E. Dale. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. J. Biomas and Bioenergy. Pg. 364-361.2004

[2] García Payo M. Destilación en Membranas de Disoluciones Acuosas de Alcoholes, Ph.D. Tesis. 1998

207

[3] Soni V., Abildskov J., Jonsson G., Gani R. Modeling and Analysis of Vacuum Membrane Distillation for Recovery of Volatile Aroma Compounds from Black Currant Juice. J. Memb. S. 320 (2008) 442-455.

[4] Perry R. H., Green D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook Eighth Edition. Mexi-co: Mcgraw-Hill, Copyright © 2008. Seccion 2 p. 96, 100, 153, 155, 313.

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208

DESARROLLO SUSTENTABLE DE UNA BIOREFINERÍA PARA PRODUCIR BIOGÁS A PARTIR DE LODOS ACTIVADOS DE UNA

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES (Biorefinerias)

Lugo Méndez H.D.1, Ruíz Ramírez O.2, Torres Aldaco A.1, Lugo Leyte

R.1, Sanvicente Silva R. 3 y Salazar Franco F. 3

1. Universidad Autónoma Metropolitana–Iztapalapa, Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Av. San Rafael Atlixco 186, Vicentina 09340, México D.F. lulr@xanum.uam.mx

2. Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, División de Ingeniería Mecatrónica e Industrial, Av. Tecnológico. Esq. Av. Hank González, Valle de Anáhuac 55210, Ecatepec, Estado de México.

3. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Sección de Estudios de Posgrado e Investiga-ción. Instituto Politécnico Nacional s/n, Zacatenco 07738, México D.F.

Introducción Actualmente, en México se está promoviendo el desarrollo de energías alternas

para diversificar la matriz energética del país disminuyendo la dependencia de energía de origen fósil, y reducir las emisiones contaminantes y de gases de efecto invernadero (GEI)a. En este contexto, las biorefinerías juegan un papel central en el desarrollo sustentable de energías renovables en el país. En una biorefinería se transforma sustentablemente la biomasa/biomasa-residual en biocombustibles/ bioproductos y/o bioenergía. El uso de biomasa residual permite preservar los re-cursos naturales sin comprometer cultivos destinados a la alimentación. En México, los lodos generados en las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) se consieran residuos peligrososc, sin embargo, se descargan al drenaje sin tratamiento alguno. Esto genera una doble problemática: 1) posible generación de severos problemas de contaminación y de salud pública; y 2) se desperdicia el con-tenido energético de los lodos para producir biogás en sistemas anaerobios de bio-digestión. En una PTAR por lodos activados, se producen alrededor de 2.5 kg CO2eq/m3 de agua residual. Una estrategia para reducir sus emisiones GEI consiste en imple-mentar sistemas de digestión de lodos para producir biogás para cogenerar electri-cidad, y buscar hacer la PTAR autosustentable. El objetivo de este trabajo es desarrollar una herramienta sistemática para la evalu-ación la viabilidad de la sinergía entre una PTAR y una biorefinería de lodos resi-duales para producir biogás.

209

a) b) c)

Métodos La evaluación del acoplamiento de una PTAR por lodos activados con una bio-

refinería de lodos residuales para producir biogás por digestión anaerobio termofí-lica se traliza a través de: 1) balances de masa-energía del sistema PTAR-Biorefinería (ver Figura 1-a y 1.b), incorporando un modelo dinámico de digestión anaerobia (ver Figura 1-c); y 2) la cuantificación de la reducción de emisiones de GEI en la PTAR por el uso de la electricidad producida a partir del biogás.

Figura 1: diagrama esquemático de a) una PTAR por lodos activados convencional, b) producción de biogás por digestión anaerobia termofílica de lodos residuales de una PTAR, y c)

modelado del proceso de digestión anaerobia en un digestor tipo tanque agitado La figura 1-b muestra una biorefinería para producir biogás por digestión anae-

robia termofílica de los lodos de una PTAR, con sistema de cogeneración de elec-tricidad e integración de calor.

Resultados y discusión Una PTAR que opera con 80 L/s, genera 0.14 L/s de lodos activados; el volu-

men del digestor para este gasto es de 132.2 m3, produciendo 9.348 kg/hr de bio-gás, el biogás entra al limpiador de gases para obtener metano al 100%, el flujo de metano es de 4.21 kg/hr, con este flujo de metano un motor térmico produciría una potencia de alrededor de 50 kW.

210

Conclusiones El desarrollo de la herramiente permiteevaluar la viabilidad de entrada de las

PTARs en México al Mercado del Carbono vía el Mecanismo de Desarrollo Lim-pio, mediante el acoplamiento de biorefinerías para reducir sus emisiones de GEI. Referencias a. Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos, 2008. b. World Economic Forum. (2010). The future of Industrial biorefineries. c. Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, SEMARNAT, 2003. Norma Oficial Mexicana Protección ambiental NOM-004-SEMARNAT-2002.

211

EVALUACIÓN TÉCNICA, ECONÓMICA Y AMBIENTAL DE UNA BIOREFINERÍA A PARTIR DE CAÑA DE AZUCAR EN COLOM-

BIA. (Biorefinerías)

Jonathan Moncada.1, Monica J. Valencia.1 y Carlos A. Cardona.1

1. Instituto de Biotecnología y Agroindustria, Departamento de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. Cra. 27 No. 64-60, Manizales, Colombia. Correspondencia:

ccardonaal@unal.edu.co

Introducción. La caña de azúcar en Colombia, es la principal materia prima para la producción

de azúcar, alcohol carburante y recientemente electricidad a partir de la cogenera-ción del bagazo de caña (a-c). La producción integrada de azúcar, etanol y electrici-dad se mueve en el creciente concepto de biorefinería, con el principal objetivo de garantizar sostenibilidad, considerando que el azúcar es la base para distintivos productos actualmente importados en el mercado Colombiano (biopolímeros, áci-dos orgánicos, alcoholes, entre otros). Este trabajo apunta a la comparación integral de tres escenarios para una biorefinería basada en caña de azúcar, cada uno con su propia configuración para la obtención de ocho productos (azúcar, etanol, electrici-dad, poli-3-hidroxibutirato (PHB), antocianinas, fertilizante, alimento animal y cenizas para biocompositos), incluyendo enfoques de integración de procesos, con el fin de analizar la toma de decisiones en la implementación a escala comercial en las condiciones Colombianas. El objetivo de este trabajo es determinar cual confi-guración de proceso es la que mejor desempeño tiene desde el punto de vista técni-co, económico y ambiental.

Métodos. Para la evaluación de la biorefinería de caña de azúcar tres escenarios son anali-

zados comparando distribución de productos y tecnologías. Para todos los escena-rios la materia prima es 200 tonelada por hora de caña (equivalente aprox. al 3.4% de la caña molida en 2010 (a)). Cada escenario fue simulado en el paquete comercial Aspen Plus V7.2 (Aspen Technology, Inc., USA). La evaluación económica se realiza en base al contexto colombiano. Los tres escenarios son descritos en la tabla 1.

212

Tabla 1. Descripción escenarios biorefinería caña de azúcar en Colombia. Escenario Productos Descripción

Tecnológica Distribución Escenario 1 (caso base)

Azúcar, Electricidad, Alcohol Carburante, Alimento animal, Fertilizante, Cenizas

Hid. Sacarosa: acido sulfúrico 4% v/v, Prod. Etanol: Sacharomyces Cerevisiae, Sist. Cogeneración: Ciclo combinado, Prod. Azúcar: Concentración y cristaliza-ción, Fertilizante: Concentración de vinazas.

Prod. azúcar: Jugo de caña, Prod. Etanol: melazas del proceso de azúcar, Cogeneración: bagazo de caña, Al. ani-mal: subproducto proceso de azúcar, Cenizas: fracciones sólidas proceso de cogeneración.

Escenario 2

Azúcar, Electrici-dad, Alcohol Carburante, Alimento animal, Fertilizante, Cenizas, PHB, Antocianinas

Hid. Sacarosa: enzimática glucosidasas, Prod. Etanol: Zymomonas Mobilis, Sist. Cogeneración: Ciclo combi-nado, Prod. Azúcar: Concentración y cristalización, Fertilizante: Concentración de vinazas, Prod. PHB: Cupriavidus Necatur,Cultivo Células: Fragaria Anassa.

Prod. azúcar: 50% del jugo de caña resultante en molienda, Prod. antocianinas: 2.5% del jugo de caña, Prod.etanol: 70% de la glucosa resultante de la hidrolisis de las melazas y 47.5% del jugo de caña, Prod. PHB: 30% de la glucosa resultante de la hidrolisis de melazas y 47.5% jugo de caña, Cogeneración: bagazo de caña y biomasa celular de C. Necatur y F. Anassa, Al. animal: subproducto proceso de azúcar, Cenizas: fracciones sólidas proceso de cogeneración.

Escenario 3

Azúcar, Electrici-dad, Alcohol Carburante, Alimento animal, Fertilizante, Cenizas, PHB, Antocianinas

Hid. Sacarosa: acido sulfurico 4% v/v, Prod. Etanol: Zymomonas Mobilis, Sist. cogeneración: Ciclo combina-do, Prod. Azúcar: Concentración y cristalización, Fertilizante: Concentración de vinazas. Prod. PHB: Cupriavidus Necatur, Cultivo Células: Fragaria Anassa.

Prod. azúcar: 97.5% del jugo de caña resultante en molienda, Prod.antocianinas:2.5% del jugo de caña, Prod. etanol: 70% de la glucosa resultante de la hidrolisis de melazas y celulosa del bagazo de caña y 100% de la xilosa de la hidrólisis de hemicelulosa, Prod. PHB: a partir del 30% de la glucosa resultante de la hidrolisis de las melazas y celulosa del bagazo de caña, Cogenera-ción: lignina residual y biomasa celular de C. Necatur y F. Anassa, Al. animal: subproducto proceso de azúcar, Cenizas: fracciones sólidas proceso de cogenera-ción.

Resultados y Discusión. Las simulaciones de los escenarios estudiados generan los respectivos balances

de materia y energía, que son la base para los análisis técnico, económico y am-biental. Las simulaciones son validadas comparando rendimientos con datos repor-tados en la literatura para procesos actuales comerciales (a-c). La tabla 2 muestra los rendimientos por tonelada de caña teniendo en cuenta las distribuciones mostradas en la tabla 1.

Tabla 2. Rendimientos obtenidos de las simulaciones de cada escenario.

Escenario Azúcar Etanol PHB Antocianina Electricidad Fertilizante Al. Animal Cenizas

Ton.Az./Ton.Caña L Et./Ton.Caña

kg PHB/Ton.Caña

kg An-t./Ton.Caña MJ/Ton.caña kg

fer./Ton.Caña kg Al./Ton.Caña kg Cen./Ton.Caña

Escenario 1 0.11 26.19 -- -- 546.27 10.69 0.26 2.64

Escenario 2 0.05 41.07 9.35 2.45 877.85 8.81 2.06 2.67

Escenario 3 0.10 65.97 9.24 2.45 374.43 5.42 1.96 2.68

Otro aspecto importante para ser incluido en el análisis de una biorefinería es la

medida de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) las cuales tienen un alto potencial de impacto ambiental. La figura 1a muestra las emisiones de GEI representadas como equivalentes de CO2 por tonelada de caña. El escenario que más emisiones de GEI por tonelada muestra es el dos, debido a que la capacidad de generación es mucho mayor que los escenarios uno y tres.

Las distribuciones y tecnologías incluidas para los productos escogidos en la biorefinería de caña de azúcar afectan directamente los rendimientos y por los tanto

213

el costo de producción. La electricidad remanente después de suplir el consumo en planta se tiene en cuenta en la venta de productos. Después de la evaluación de los costos de producción y ventas por producto, se utiliza el cálculo del margen de ganancia total para cada escenario. La figura 1b muestra el margen de ganancia de la biorefinería, tomado como parámetro de análisis de viabilidad económica para cada escenario, mostrando que el escenario tres es el que mejor margen de ganan-cia tiene debido a la distribución de materias primas seleccionadas.

Emisiones GEIEsc. 1 0.48Esc. 2 2.21Esc. 3 1.11

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

Ton.

CO

2-e/T

on. c

aña

a)

Margen de GananciaEsc. 1 41.1Esc. 2 69.1Esc. 3 74.8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Mar

gen

de g

anan

cia

%

b)

Figura 2. Resultados evaluación ambiental y económica biorefinería de caña. a) Emisiones de

GEI por tonelada de caña. b) margen de ganancia por escenario

Conclusiones.

Los resultados obtenidos para las configuraciones mostradas muestran viabili-dad, pero dado al análisis compresivo, la configuración recomendada para una bio-refinería de caña de azúcar en Colombia es la que corresponde al tercer escenario, debido a que asegura alta capacidad de producción de azúcar para conservar la seguridad alimentaria, con un mayor rendimiento de etanol para contribuir al pro-grama de oxigenación de gasolinas, moderadas emisiones de GEI y la posibilidad de valorar en innovar en el mercado con productos como el PHB. La evaluación muestra una forma lógica de diseñar biorefinerías desde el punto de vista concep-tual.

Agradecimientos: los autores expresan sus agradecimientos a la Universidad Nacional de Co-lombia sede Manizales, sede Orinoquia y sede Amazonia por apoyo financiero. Referencias. a. Asocaña. Informe Anual 2010-2011. Sector Azucarero Colombiano. Asociación de cultivadores de caña de azúcar de Colombia 2011. b. Quintero J, Montoya M, Sánchez O, Giraldo O, Cardona C. Fuel ethanol production from sugarca-ne and corn: comparative analysis for a Colombian case. Energy 2008;33:385-99. c. Cardona C, Quintero J, Paz I. Production of bioethanol from sugarcane bagasse: status and perspec-tives. Bioresource technology 2010;101:4754-66.

214

PRODUCCIÓN DE ÁCIDO LÁCTICO POR UNA CEPA NATIVA DE Lactobacillus spp.A PARTIR DE GLICEROL CRUDO DELAINDUS-

TRIA DEL BIODIESEL (Biorrefinerías)

Yessica Prada, Pedro Díaz, Marly Romero, Carolina Guzmán1, Molina

Daniel2

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Estudios e investigaciones Ambientales – CEIAM,

Carrera 27 calle 9, A.A. 678, Bucaramanga, Colombia. caguzlun@uis.edu.co 2. Universidad Industrial de Santander, Grupo de Investigación en Bioquímica y Microbiología,

Carrera 27 calle 9, A.A. 678, Bucaramanga, Colombia. dmolina@uis.edu.co

Sede Guatiguará, Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear, Km.2, viael Refugio, Piedecuesta

Introducción El glicerol, subproducto de la producción de biodiesel, está presente en grandes cantidades y bajos precios a nivel mundial. Durante su bioconversión se producen compuestos de alto valor agregado como 1,3 propanodiol, ácidos orgánicos, ácido láctico (AL)a. El ácido láctico es utilizado en la industria farmacéutica y alimenti-cia para la producción de plásticos y polímeros entre otros. Elgénero Lactobacillus es la bacteria utilizada en este proceso, sin embargo, son pocos los estudios sobre su actividad metabólica a partir de glicerol residualb c. En esta investigación se eva-luó la producción de AL por una cepa nativa de Lactobacillus spp. utilizando glice-rol crudo como fuente de carbono.

Materiales y Métodos - Aislamiento y caracterización del microorganismo: Los microorganismos aislados fueron obtenidos a partir de muestras de frutas, verduras y productos lácteos, pro-cesadas en agar Man Rogosa & Sharpe (MRS) bajo condiciones anaeróbicas. La caracterización microbiana se realizó por pruebas bioquímicas. El crecimiento mi-crobiano se evaluó por método turbidimétrico(ThermoSpectronicGenesis 20, USA). La selección de las cepas con mayor potencial de fermentación se realizó con el kit enzimático específico para ácido lácticoRQflex Reflectometer® Merck KGaA, Darmstadt, R.F.A, Alemania). -Consumo de glicerol y cuantificación de metabolitos: Los productos de interés fueron cuantificados mediante un método que se desarrolló por RMN-1Hd(Bruker Avance III, 400 MHz Alemania). -Ensayo fermentativo:La concentración inicial de glicerol crudo fue: 217,17mM. El volumen de operación fue: 200 mL, en condiciones de agitación de 200 rpm durante 72 he (Heidolph Unimax 1010, Alemania).

215

Resultados y Discusión De las muestras analizadas, se identificaron 37 cepas nativas de Lactobacillus spp., Luego de la evaluación por el kit enzimático 16 cepas fueron identificadas con mayor potencial fermentativo en la producción de AL. La cepa CYP4 presentó el mejor consumo de glicerol y la mayor producción de AL: 10,71mM en condiciones anaeróbicas. Las señales con frecuencias entre 3,33 y 3,47 ppm corresponden a protones de metilo del glicerol (4H, cc, J = 3,35 Hz, -C-H). Tres protones metilo fueron encontrados a 0,67 ppm (3H, d, J = 0,56 Hz, -CH3).El máximo consumo de glicerol fue de 82,95 mM equivalente a 39,27% las 24 h de fermentación (Figura 1). La producción de AL fue 46,23 mM (Figura 1).

Figura 1: Fermentación anérobica de glicerol crudo porL. CYP4

Conclusiones Lactobacillus CYP4 asimiló el glicerol crudo como única fuente de carbono y pro-dujo ácido láctico como componente mayoritario en condiciones anaeróbicas.

Agradecimientos Las autoras agradecen a la Dirección deInvestigación y Extensión de la Facultad de Salud(DIEF, UIS); Proyecto área estratégica No 5452. Vicerrectoría de Investiga-ción yExtensión (VIE, UIS); Gobernación de Santander;Neomundo por la financia-ción dada a estainvestigación y a Natalia Tarazona (Joven Investigadora Colcienci-as) por su trabajo en el proyecto.

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217

EXERGY ANALYSIS OF A SUGARCANE-BASED BIOREFINERY (Biorefinerías)

Pablo Andrés Silva Ortiz 1,2, Silvio de Oliveira Júnior 1

1. University of São Paulo USP, Mechanical Engineering Department, Polytechnic School.

Laboratory of Environmental and Thermal Engineering, Av. Prof. Luciano Gualberto # 1289, CEP: 05508-900, São Paulo, SP – Brazil; E-mail: pablo.silvaortiz@gmail.com, soj@usp.br

2. Autonomous University of Bucaramanga UNAB, Energy Engineering. Resources, Energy and Sustainability Research Group – GIRES. Av. 42 # 48 – 11, Bucaramanga, Colombia.

Abstract. Biofuels produced from lignocellulosic biomass as ethanol are renew-able alternatives to decreasing the demand for fossil fuels. The purpose of this study is to evaluate the ethanol production using sugarcane as feedstock in a biorefinery through exergy analysis. Thus, the exergy efficiency of the ethanol production processes is obtained and the main variables affecting the process be-havior are identified.

Keywords: Exergy, Ethanol, Biorefineries, Sugarcane. Introduction Currently, industrial economies are largely dependent on oil industry. However, crude oil reserves are limited and world demand is constantly growing. Meanwhile, there is increasing concern over the impact of these traditional manufacturing pro-cesses on the environment. This scenario evidences the importance of reduce our dependence on petroleum feedstock by establishing a bio-based economy and the constant research of alternative energy resources with less environmental impacts, such as biofuels. In this context, this work based on exergy analysis evaluated the ethanol produc-tion from sugarcane. Exergy analysis has been used to evaluate the combined pro-duction of sugar, ethanol and electricity taking into account different configura-tions of the cogeneration plant, have been analyzed using exergy-based costs (Pellegrini and Oliveira, 2011; Velásquez et al. 2012; Pellegrini et al. 2010). Brazilian sugarcane industry In Brazil, sugarcane has been used to produce ethanol for almost 90 years. It has proved to be a key raw material due to its high content of sucrose, which through milling, fermentation and distillation, can be used as a feedstock to produce etha-nol. Developments in bioprocesses are being made to allow the use of amilaceous and lignocellulosic materials to produce ethanol through hydrolysis, fermentation and distillation (Velásquez, 2009).

218

In 2010, the amount of sugarcane processed in Brazil was 612 million tons, producing 34 million tons of sugar and 26 million m3 of ethanol. The total area of production corresponds to 7.5 million hectares, near 15% of the total land available for agriculture (Pellegrini and Oliveira, 2011).

For these reasons this raw material plays a significant role in the Brazilian ener-gy matrix and in the future it is seen as a continuous resource use and growth due to their potential as energy. The Biorefinery Concept Biorefinery term refers to the conversion of biomass feedstock into value-added chemicals and fuels with minimal waste and emissions. The biorefinery concept is analogous to today’s crude oil refinery. Figure 1 shows the comparison between a conventional refinery and a biorefinery.

Figure 1. Comparison of refinery versus biorefinery (adapted from Rupp-Dahlem, 2006).

Thermochemical and biochemical conversion products from biomass are up-graded before ultimate refining processes, as shown in Figure 2. Biorefinery in-cludes fractionation for separation of primary refinery products. The main goals of biorefineries are to integrate production of higher value chemicals and commodi-ties, as well as fuels and energy, and to optimize use of resources, maximize profit-ability, maximize benefits and minimize wastes (Clark and Deswarte, 2008).

219

Figure 2. Simplified schematic diagram of a two-platform concept biorefinery (Adapted from Clark and Deswarte, 2008).

Biorefineries are classified based on their system components; platforms, products, feedstocks, and conversion processes as explained in the Table 1.

Table 1. Different types of biorefinery (Adapted from Ghatak, 2011).

TYPE DESCRIPTION PRODUCTS / REMARKS

Platforms Refer to intermediates connecting biorefinery systems and their processes.

C5/C6 sugars, Syngas, Biogas.

Products Energy products. Bioethanol and biodiesel or material products like chemicals.

Feedstocks They can also be sourced from agricultural residues, forestry residues, and industrial wastes (straw, bark, used cooking oils, paper mill black liquor).

Energy crops from agricul-ture (Corn, Sugarcane, etc.).

Conversion processes Currently four major groups of conversion processes are involved in biorefinery systems.

Biochemical (Fermentation), Thermochemical (Pyrolysis), Chemical (Esterification), Mechanical (Size reduction).

Figure 3 illustrates a sugarcane-based biorefinery with different processing

pathways and resulting product mix. It is evident that compared to conventional processing, as illustrated by solid arrows, working in a biorefinery framework can

220

give a lot of operational flexibility, as well as product mix to choose from (Ghatak, 2011).

Figure 3. Possible processing pathways for sugarcane (Ghatak, 2011). The challenge of the next decade will be to develop demonstration plants, which

will require cross-sector collaborations and attract the necessary investors required for the construction of full-scale biorefineries. Thus, in the future, the biorefineries technological perspective plays an important role on the energy matrix. Case study The case study selected is referenced to an integrated biorefinery and it is focuses on the analysis of the fermentation and the distillation processes, as shown in Fig-ure 4. The chosen settings are used in the sugar and alcohol industry.

221

Figure 4. Integrated biorefinery scheme used for the exergy analysis.

This model represents a simplified schematic diagram of a conventional route based on sugarcane, in which the analysis of pretreatment processes was not con-sidered. All simulations were performed using the Engineering Equation Solver software (EES, 2012). The developed models aim at simulating the steady state operation of all control volumes studied. It is composed of mass, energy and exergy balances, also considering heat, work and mass transfer conditions.

The elemental composition of sugarcane bagasse, higher and lower heating val-ues (HHV and LHV), necessary to develop the exergy analysis, were obtained us-ing expressions proposed in literature (Channiwala and Parikh, 2002). Additional-ly, 50% the moisture content of bagasse (wet basis, %) was considered.

The thermodynamic properties and chemical exergy of other substances as: H2SO4, Na2SO4, CaO, NaOH, and KH2PO4, were obtained form differences biblio-graphic sources (Szargut, 2005; Kotas, 1995).

Fermentation process In this process it was considered the mass balance shown in Table 2. This balance includes some of the inputs of modeling fermentation sugarcane mills (Velázquez, 2009b). Additionally, some of the operating variables are treated as ideal, pH 4,0 and T 30 °C were assumed.

Table 2. Exergy balance of the fermentation process.

VARIABLE MASS

(kg/t-c) EXERGY

(kJ/t-c)

INPUTS

Raw Material (RM) 150,0 2239000 Water 520,0 23020 K2HPO4 15,0 10701 H2SO4 10,0 16605 (NH4) SO4 9,1 9901

PRODUCTS CO2 60,2 40967 Wine 645,0 179479

222

Fermentation process used Zymomonas mobilis enzyme, which can absorb the pentose and hexose produced on hydrolysis, converting sugars to ethanol. In addi-tion to ethanol are produced other by-products such as higher alcohols, glycerol, aldehydes and a large amount of carbon dioxide. The fermentation process flow diagram is presented in Figure 5.

Figure 5. Fermentation process flow diagram. To calculate the fermentation yield it was used Eq. (1). This parameter is de-

fined as the ratio of the actual amount of alcohol in the amount of sugar fermenta-tion. The theoretical mass of 51.1% corresponds to Gay-Lussac coefficient.

Ethanol Real wine ethanol

FERM Ethanol Theoretical sugar

m m .xYield = =m 0,511.m

(1)

However, the exergy efficiency of fermentation is given by Eq. (2). This illus-

trates a high quality parameter of energy conversion of the fermentation process.

( )2 ( 4)2 4 2 4

Exergy Efficiency WINEFERM

RM H O NH SO H SO w

BB B B B B

=+ + + +

(2)

Distillation process Table 3 shows the mass balance considered in distillation process. This balance takes into account some of the inputs of modeling distillation of sugarcane mills (Velázquez, 2009b).

223

Table 3. Exergy balance of the distillation process.

VARIABLE MASS (kg/t-c)

EXERGY (kJ/t-c)

INPUTS Wine 528,6 1629580 Steam 244,6 213953

PRODUCTS Ethanol (C2H6O) 58,8 1612000 Vinasse 469,8 20174 Condensed 244,6 43760

Figure 6 shows the process flow diagram considered in exergy analysis of distil-lation process.

Figure 6. Distillation process flow diagram. To calculate the distillation exergy efficiency it was used Eq. (3).

( )2 6

2

Exergy Efficiency + −=

+ − +C H O VINASSE WINE

DISTH O STEAM CONDESED w

B B BB B B B

(3)

Utilities plant process This model was designed as a cogeneration plant, taking into account the thermo-dynamic parameters of utilities plants using bagasse as fuel. Steam was used as a back-pressure turbine at 2.6 bar with isentropic efficiency of 70.0%. (Pellegrini et al. 2007). Additionally, steam was produced in the boiler of low-pressure at 1.8 bar and 200 C. The boiler efficiency and pump efficiency of 70% were considered.

Table 4 shows the inputs and products variables used in this process. The pro-

cess flow diagram is shown in Figure 7. This model represents a simplified sche-matic diagram of a conventional utilities plant.

Table 4. Exergy balance of the utilities plant process.

224

VARIABLE MASS

(kg/t-c) EXERGY

(kJ/t-c)

INPUTS

Bagasse 167,3 1476000 Condensed 150 7607 Steam 150 10701 Air 1073 1,879

PRODUCTS Combustion Gases 1396 333909 Ashes 11,98 8360 Electricity - 101586

Figure 7. Utilities plant process flow diagram. The global efficiency of the system was defined as the ratio between the exergy

in products (BP) and the difference between the summation of the exergy in bio-mass (BBio) and the exergy in raw materials (BRM), and the flow exergy that it is not used on process (BW), as shown in Eq. 4.

( )Exergy Efficiency P

GLOBALBIO RM W

BB B B

=+ −

(4)

225

Results In order to conduct the exergy analysis of the model considered, the main data parameters from fermentation and distillation processes was estimated, as can be seen from Table 5 and Table 6, respectively.

Table 5. Results obtained from analysis of the fermentation process.

VARIABLE VALUE Bw (kJ/t-c) 7000 Heat rejected (kJ/t-c) -421575 Destroyed exergy (kJ/t-c) 511676 Fermentation efficiency (%) 90 Fermentation exergy efficiency (%) 77

Table 6. Results obtained from analysis of the distillation process.

VARIABLE VALUE Bw (kJ/t-c) 7800 Heat rejected (kJ/t-c) -596195 Destroyed exergy (kJ/t-c) 100310 Distillation efficiency (%) 97 Distillation exergy efficiency (%) 44

On the other hand, the comparison between heat rejected and destroyed exergy

in fermentation and distillation processes, is shown in Figure 8.

Figure 8. Comparison between heat rejected and destroyed exergy.

226

Additionally, Figure 9 shows the energy efficiency and exergy efficiency ob-tained in fermentation and distillation processes.

Figure 9. Efficiency and exergy efficiency of the processes analyzed. The global efficiency of the system was 0.387. As can be seen in Table 7, the

most sensitive variable of the utilities plant process measured is the destroyed exergy, which is dependent on the chemical reactions in the combustion process.

Table 7. Results obtained from analysis of the utilities plant process.

VARIABLE VALUE Heat rejected h1 (kJ/t-c) 440259 Heat rejected h2 (kJ/t-c) 445381 Destroyed exergy (kJ/t-c) 1187000 Bproducts (kJ/t-c) 1661000 Bresidues (kJ/t-c) 80081 Global efficiency (%) 38.7

Conclusions The assessment of the fermentation and distillation processes shows a 77% and 44% of the exergy efficiency, respectively. This result is due to entropy generated (exothermic reaction) for the conversion of sugars to ethanol and heat dissipation, which are the main variables affecting the processes exergy efficiency.

Additionally, a better efficiency in these processes can be obtained by consider-ing alternatives as reducing the formation of undesirable byproducts (aldehydes), implementing the extractive fermentation process or increasing the alcohol content of wine to reduce the thermal load in the distillation columns.

227

The exergy analysis is a tool that can be used to evaluate the behavior in the production chain used to produce biofuels. According to this analysis the global exergy efficiency results for ethanol production from sugarcane, where chemical reactions as hydrolysis, fermentation and combustion are the principal causes of exergy destruction in ethanol production. Acknowledgements The authors of this paper would like to thank the CNPq – National Council for Scientific and Technological Development (grants 159498/2011-2 and 306505/2009-6) for financial support in the development of this work. References CLARK, J.H. AND DESWARTE, F. E., (2008). The Biorefinery Concept–An Integrated Approach. Introduction to Chemicals from Biomass. Green Chemistry Centre of Excellence, University of York, UK. John Wiley & Sons. CHANNIWALA, S. A.; PARIKH, P. P., (2002). "A unified correlation for estimating HHV of solid, liquid and gaseous fuels." Fuel 81 (8): 1051-1063. EES Engineering Equation Solver, (2012). F-Chart. GHATAK, H. R., (2011). "Biorefineries from the perspective of sustainability: Feedstocks, products, and processes." Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (8): 4042-4052. KOTAS, T. J., (1995). The exergy method of thermal plant analysis. 328 p. Krieger Pub Co. PELLEGRINI, L. F.; DE OLIVEIRA JÚNIOR, S., (2011). "Combined production of sugar, ethanol and electricity: Thermoeconomic and environmental analysis and optimization." Energy 36 (6): 3704-3715. PELLEGRINI, L. F.; DE OLIVEIRA JÚNIOR, S.; BURBANO, J. C., (2010). "Supercritical steam cycles and biomass integrated gasification combined cycles for sugarcane mills." Energy 35 (2): 1172-1180. PELLEGRINI, L. F.; BURBANO, J. C.; DE OLIVEIRA JÚNIOR, S., (2007). "Exergy Analysis of Advanced Cogeneration Plants for Sugarcane Mills: Supercritical Steam Cycles and Biomass Inte-grated Gasification Combined Cycles", Proceedings of 19th International Congress of Mechanical Engineering. RUPP-DAHLEM, C., (2006). Cereal based biorefinery. Proposal of Roquette Freres Institute for Biorefineries Design. Renewable Resources & Biorefineries Conference. University of York, UK. SZARGUT, J., (2005). Exergy method: Technical and ecological applications. 192 p. WIT Press. VELÁSQUEZ, H. I.; DE OLIVEIRA JÚNIOR, S.; BENJUMEA, P., (2012). "Exergy efficiency analysis of chemical and biochemical stages involved in liquid biofuels production processes." Ener-gy 41 (1): 138-145.

228

VELÁSQUEZ, H. I., (2009a). "Exergy analysis of biofuels production routes." COBEM 2009, Engi-neering for the future. 20th International Congress of Mechanical Engineering. Gramado-RS, Brazil.

VELÁSQUEZ, H. I., (2009b). Exergy and exergo-environmental evaluation of biofuels production. Ph.D. thesis in mechanical engineering, Polytechnic School, University of São Paulo – USP.

229

AVANCES EN EL DESARROLLO DE UNA TOPOLOGÍA DE BIO-REFINERÍA PARA LA OBTENCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES Y

PRODUCTOS DE ALTO VALOR AGREGADO A PARTIR DE BIOMASA DE MICROALGAS

(Biorefinerías)

Ángel-Darío González-Delgado1 y Viatcheslav Kafarov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en Industria y Energía, Cra 27 Cll 9 Bucaramanga, Colombia. Email: cisyc@uis.edu.co

Introducción En la actualidad se está estudiando la posibilidad de utilizar biomasa de micro-

algas para la producción de biodiesel, sin embargo, este proceso de producción se encuentra aun bajo investigación en sus diferentes etapas con el fin de lograr su viabilidad en términos técnicos, económicos, energéticos y ambientales. Una alter-nativa para lograr esta viabilidad es a través de la valorización de otros componen-tes de las microalgas, ya que estas tienen un alto potencial para ser utilizadas como materia prima en procesos de biorefinería, al contener distintos metabolitos de in-terés teniendo en cuenta que en el pasado han sido aprovechadas para obtener dife-rentes productos en cadenas lineales de producción. En este trabajo se muestran algunos avances logrados por los autores para el desarrollo de una topología de biorefinería para la obtención de biocombustibles y productos de alto valor agrega-do a partir de biomasa de microalgas.

Materiales y Métodos Las cepas utilizadas fueron Closterium sp., Navicula sp., Amphiprora sp., Gui-

nardia sp., Botryococcus sp., Desmodesmus sp. Chlorella sp.y Tetraselmis sp., para la obtención de pigmentos y ficobiliproteinas se evaluaron distintos solventes, tiempos de extracción y temperaturas, para la disrupción celular se evaluó el pretra-tamiento organosolv y la hidrolisis acida a distintos tiempos, para le extracción de aceite, tres métodos basados en solventes químicos fueron estudiados a escala labo-ratorio obteniendo las condiciones de operación que permitieran una máxima efi-ciencia de extracción, seguidamente se compararon estos métodos en términos de eficiencia relativa y se realizó una estimación preliminar de costos, y toxicidad, utilizando cinco cepas de microalgas, con base en esta información se selecciona-ron tres métodos los cuales fueron simulados usando software especializado y se analizaron desde el punto de vista energético, adicionalmente se realizó un mode-lamiento robusto de la composición de la biomasa de microalgas. Se evaluó un proceso multifuncional para la obtención en un solo paso de azucares fermentables,

230

lípidos y biodiesel evaluando dos solventes, se realizó un modelamiento de la pro-ducción de azucares fermentables a diferentes tiempos y concentraciones de acido.

Resultados

Figura 1. Evaluación de métodos de disrupción celular para la obtención de aceite de microalgas.

Figura 2. Comparación de extractos hidrófobos obtenidos utilizando extracción con solvente y proce-

so multifuncional.

Conclusiones La extracción de pigmentos de microalgas puede contribuir en gran medida a la

economía global del proceso, el método mas conveniente de extracción de aceite de microalgas es la extracción con hexano HBE, el proceso multifuncional con etanol se perfila como una alternativa promisoria para la obtención de lípidos y azucares fermentables, sin embargo se deben hacer mayores avances para lograr una transes-terificacion insitu para obtener una alta conversión.

Referencias a. González-Delgado AD, Kafarov V. Microalgae based biorefinery: Issues to consider. CT&F - Cienc, Tecnol Futuro 2011;4:16-26. b. Peralta Y, Sanchez E, Kafarov V. Exergy analysis for third generation biofuel production from microalgae biomass. Chem Eng Transact 2010;21:1363-8.

232

EMISIONES DE GEI EN LOS BIOQUEROSENOS A PARTIR DE ACEITE HIDROTRATADO DE CAMELINA SATIVA

(Análisis de Ciclo de Vida de Biocombustibles)

Daniel Garraín, Israel Herrera, Yolanda Lechón

CIEMAT (Ministerio de Economía y Competitividad), Dpto. Energía, Ud. de Análisis de Sistemas Energéticos, Av. Complutense 40, E28040 Madrid (España), daniel.garrain@ciemat.es, Tel. +34

913466091 Introducción A la luz de las actuales preocupaciones ambientales, económicas y políticas re-

ferentes a la sostenibilidad de las fuentes energéticas utilizadas en la aviación, sur-ge la pregunta: ¿cuáles son las alternativas del sector? La respuesta a esta pregunta es sencilla: es necesario dirigir los esfuerzos a alternativas de origen renovable.

En la actualidad se están estudiando diversos procedimientos para la producción de querosenos alternativos en la aviación. El queroseno parafínico sintético (tam-bién conocido por las siglas SPK, Synthetic Paraffinic Kerosene) es un tipo de combustible alternativo para aviación que se puede producir de dos formas diferen-tes: mediante síntesis por Fischer-Tropsch o mediante la hidrogenación de aceite vegetal (bioqueroseno, Bio-SPK o HRJ, Hydrotreated Renewable Jet) [a, b].

En cuanto a los tipos de aceite vegetal, de forma general, se puede afirmar que la camelina sativa no compite con los cultivos alimentarios, considerándose el bio-combustible producido de segunda generación. No obstante puede poseer algunas propiedades alimenticias. Debido al alto contenido de aceite en las semillas y a las condiciones para el fomento de la agricultura sostenible, aumenta el potencial de esta planta como una nueva fuente de biocombustible [c].

Materiales y métodos En este trabajo se presenta el resumen de un exhaustivo examen de los estudios

de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) de combustibles alternativos para la aviación en cuanto a emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Se reflejan especial-mente los impactos producidos por el bioqueroseno hidrotratado (HRJ, Hydrotrea-ted Renewable Jet) a partir de aceite vegetal de camelina, dada la posibilidad de futura implantación y producción en España.

Resultados La tabla 1 presenta los resultados de varios estudios sobre las emisiones de GEI

del HRJ a partir de hidrotratamiento de aceite de Camelina Sativa.

Tabla 1. Emisiones de GEI de diversos ACV de HRJ de Camelina Sativa Estudio Referencia Emisiones de GEI (g CO2 eq/MJ)

Carter et al. (2011) [d] 20-35

Shonnard et al. (2010) [e] 22-29

Vera-Morales & Schäfer (2010) [f] 40-50

Kinder & Rahmes (2009) [g] 20

233

Discusión, conclusiones y futuros desarrollos De los estudios presentados, la totalidad presenta un excelente comportamiento

en cuanto a emisiones de GEI, disminuyendo considerablemente el valor estándar para el combustible fósil diesel definido en la Directiva Europea para el fomento de energías renovables 2009/29/EC [h] de 83 g CO2/MJ. No obstante, estos estudios se centran básicamente en la categoría de cambio climático, aunque algunos inclu-yen la de consumo de energía fósil [e]. De forma general, los HRJ poseen un mejor comportamiento medioambiental en esas dos categorías. Las emisiones de CO2 de los biocombustibles en la fase de combustión se consideran nulas por su proceden-cia biogénica (responsable del crecimiento de la planta). No obstante, existen otras categorías en las que el comportamiento puede ser menos favorable como las de acidificación o eutrofización. En ellas, el valor comparado al de los combustibles fósiles es más elevado debido a la etapa de cultivo, en las que se utilizan fertilizan-tes y pesticidas los cuales son responsables del aumento del impacto en dichas categorías. Además, otra de las categorías que pudieran verse afectadas son las de cambio de uso de suelo (LUC, Land Use Change) y la de cambio indirecto (ILUC, Indirect Land Use Change), este último considerado cuando el biocarburante se cultiva en tierras agrícolas existentes y desplaza la producción de otros cultivos, conduciendo indirectamente a cambios en la utilización del suelo de otras zonas [i].

Finalmente, cabe destacar que, en la actualidad (año 2012), en España existe la “Iniciativa española para la producción y el consumo de bioqueroseno para avia-ción”, la cual tiene por objeto fomentar el desarrollo de una industria de bioquero-seno alternativo a partir de camelina, liderada por el Gobierno español (más infor-mación en http://www.bioqueroseno.es).

Referencias a. Brown N., Gillette W., Hileman J.I., Maurice L. (2010). Estimating Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Alterntive

Jet Fuels, capítulo 5 en ‘ICAO Environmental Report –Aviation and climate change’, ICAO. b. Novelli P. (2008). State of the Art on Alternative Fuels in Aviation, en Sustainable Way for Alternative Fuels and Energy

in Aviation. SWAFEA. Final Report, USA. c. Fröhlich A., Rice B. (2005). Evaluation of camelina sativa oil as a feedstock for biodiesel production, Industrial Crops and

Products, vol. 21, 25-31. d. Carter N.A., Stratton R.W., Bredehoeft M.K, Hileman J.I. (2011). Energy and environmental viability of select alternative

jet fuel pathways, 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, San Diego, California, USA. e. Shonnard D.R., Williams L., Kalnes T.N. (2010). Camelina-Derived Jet Fuel and Diesel: Sustainable Advanced Biofuels,

Environmental Progress & Sustainable Energy (V 29, n 3), pp. 382-391. f. Vera-Morales M., Schäfer A. (2009). Fuel-Cycle Assessment of Alternative Aviation Fuels, Draft final Report for Omega,

University of Cambridge, Institute for aviation and Environment. g. Kinder J.D., Rahmes T. (2009). Evaluation of Bio-Derived Synthetic Paraffinic Kerosene (Bio-SPK), The Boeing Compa-

ny, Sustainable Biofuels Research & Technology Program. h. RED (2009) Diario Oficial de la Unión Europea (05.06.2009). Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Conse-

jo de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las Directivas 2001/77/CE y 2003/30/CE.

i. Garraín D., Izquierdo L., Lechón Y. (2012). Consideración del cambio indirecto del uso de suelo (ILUC) en los análisis de ciclo de vida de biocarburantes, XVI Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos, Julio 2012, Valencia (España).

234

ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES DEL BIOCOMBUSTIBLE A PARTIR DE HIDROTRATAMIENTO DE ACEITE VEGETAL, CO-

MO ALTERNATIVA AL FAME (Análisis de Ciclo de Vida de Biocombustibles)

Daniel Garraín, Israel Herrera, Yolanda Lechón

CIEMAT (Ministerio de Economía y Competitividad), Dpto. Energía, Ud. de Análisis de Sistemas Energéticos, Av. Complutense 40, E28040 Madrid (España), daniel.garrain@ciemat.es, Tel. +34

913466091 Introducción Las unidades de hidrotratamiento de las refinerías petrolíferas tienen como obje-

tivo la reducción del contenido de azufre de los combustibles diésel para adaptarlos a las especificaciones determinadas. No obstante, una de las tecnologías disponi-bles actualmente para producir biocombustibles a partir de aceite vegetal es preci-samente este proceso de tratamiento con hidrógeno en refinerías, obteniendo así el aceite vegetal hidrotratado (HVO, del inglés Hydrotreated Vegetable Oil).

Materiales y métodos En este trabajo, se ha realizado el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) del HVO

denominado ‘HidroBioDiésel’ (HBD), biocarburante obtenido por hidrotratamiento de aceites vegetales en las plantas convencionales de refino, mediante co-procesamiento con diésel mineral. El objetivo del estudio es la comparación con el obtenido por transesterificación de aceite (el denominado FAME, del inglés Fatty Acid Methyl Ester) y con el diésel mineral tradicional con un contenido en azufre inferior a 10 ppm. Se ha considerado el HBD obtenido en pruebas a escala indus-trial en dos refinerías españolas (Puertollano y Cartagena). Los resultados mos-trarán los impactos medioambientales del biocombustible producido (sistema HBD, mezcla de HBD y diésel < 10 ppm) y una mezcla de FAME y diésel < 10 ppm en las mismas proporciones de salida. Para ello, se ha utilizado la herramienta informática SimaPro 7.1 y el método de caracterización CML baseline 2000.

El alcance considerado en los productos comparados abarca desde la extracción de las materias primas hasta la salida del combustible en cada refinería (en el caso de HBD y diésel < 10 ppm) o en la planta de transesterificación (en el caso de FAME). La unidad funcional seleccionada a la que se han referido los resultados ha sido la cantidad de combustible expresada en MJ, ya que el uso final de los com-bustibles estudiados es la producción de energía.

Resultados y discusión La tabla 1 presenta la comparación del consumo de energía primaria y las emi-

siones de GEI entre los productos obtenidos en el proceso de hidrotratamiento y

235

una mezcla de FAME y diésel < 10 ppm en las mismas proporciones (% HBD) que las de la salida del sistema HBD.

En el caso del consumo energético el perfil es muy similar en ambos sistemas, siendo ligeramente superior en el caso del producto obtenido en la refinería de Puertollano. Dicha diferencia se explica debido a que en esta refinería las materias primas procesadas son más intensivas en cuanto a consumos de energía y al aporte externo de hidrógeno para llevar a cabo el proceso de hidrogenación, que hace que se consideren las cargas de fabricación del mismo, teniendo mucha más influencia en la categoría de consumo de recursos energéticos. En la categoría de calenta-miento global ocurre algo análogo, observándose un descenso más acusado en las emisiones en el caso de Cartagena. Tabla 1. Consumo de energía y emisiones de GEI de los sistemas HBD y mezclas de FA-

ME y diésel < 10 ppm (d) en cada refinería [a]

Refinería % HBD Consumo energía (MJ/MJ) Emisiones GEI (g CO2 eq/MJ)

FAME + d HBD + d FAME + d HBD + d

Puertollano 4,8 1,269 1,269 16,58 16,66

5,4 1,264 1,272 16,61 16,72

9,7 1,228 1,238 16,85 17,19

9,6 1,228 1,243 16,85 17,20

Cartagena 8,1 1,122 1,113 11,46 10,70

8,4 1,120 1,110 11,49 10,85

12,5 1,090 1,075 11,96 11,11

13,1 1,086 1,070 12,03 10,98

Considerando otras categorías el comportamiento es similar. No obstante, cabría

destacar que si se comparan FAME y HBD con el diésel convencional, la mayor diferencia se encuentra en las de acidificación y eutrofización, ya que los sistemas procedentes de cultivos energéticos poseen mayores emisiones debidas principal-mente al uso de fertilizantes y pesticidas.

Conclusiones Del estudio, se puede concluir que una de las principales ventajas a priori del

co-procesamiento de diésel y aceite refinado es que se podría obtener un biocarbu-rante con las especificaciones correspondientes al porcentaje de adición de biodié-sel, según las Directivas [b] sin necesidad de realizar un proceso de mezclado, ya que el comportamiento medioambiental es admisible en comparación con biocom-bustibles homólogos.

236

Referencias a. Garraín, D., Herrera, I., Lago, C., Lechón, Y., Sáez, R. (2011) “Análisis de ciclo de vida de biocarburantes

de aceite vegetal hidrotratado”, Colección Documentos CIEMAT, ISBN: 978-84-7834-663-9, 2011, Madrid (España).

b. Diario Oficial de la Unión Europea (05.06.2009). Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Con-sejo de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables y por la que se modifican y se derogan las Directivas 2001/77/CE y 2003/30/CE.

237

PRODUCCIÓN DE BIODIESEL POR MEDIO DE TRANSESTERIFICACIÓN SUPERCRÍTICA: SIMULACIÓN DEL PROCESO Y ANÁLISIS

DE IMPACTO AMBIENTAL (Análisis de ciclo de vida (ACV) de biocombustibles)

Víctor Fernando Marulanda1

1. Universidad de La Salle, grupo de investigación CLIMA, Cra 2 # 10-70 Bogotá,

vfmarulanda@unisalle.edu.co Introducción

La producción de biodiesel por medio de transesterificación supercrítica, proce-so llevado a cabo en el rango de temperaturas 280 a 400 °C y presiones de 100 a 300 bar, se ha sugerido como una alternativa a los métodos convencionales catali-zados por ácidos y bases. Las principales ventajas de este proceso tienen que ver con la fase homogénea formada a condiciones supercríticas, lo cual promueve reacciones de transesterificación y esterificación rápidas sin necesidad de cataliza-dor (Marulanda et al., 2010). Por tanto, este método puede hacer uso eficiente de distintas fuentes de triglicéridos, tales como las grasas animales y los aceites usa-dos. Sin embargo, la mayoría de estudios realizados se han llevado a cabo con ele-vadas relaciones molares de alcohol a triglicéridos, usualmente 42:1, lo cual puede traducirse en costos elevados del proceso y elevado impacto ambiental a nivel in-dustrial. Recientemente, varios investigadores han estudiado el proceso a tempera-turas cercanas a 400 °C y excesos de alcohol moderados (9:1 a 20:1). Estos estu-dios han mostrado que no solo se produce biodiesel a temperaturas mayores a 350 °C sin afectar la calidad del producto, sino también descomponer el glicerol para formar subproductos que tienen el potencial de usarse como parte del biodiesel (Anitescu et al., 2008; Marulanda et al., 2010). En este trabajo se emplean los re-sultados de la simulación en Aspen Plus de un proceso de producción de biodiesel por medio de transesterificación supercrítica a nivel industrial, basado en resulta-dos experimentales del autor (400 °C y 9:1), con el fin de comparar desde el punto de vista de generación de impacto ambiental las tecnologías supercríticas y las tecnologías convencionales.

Simulación del proceso de transesterificación supercrítica

En el proceso supercrítico propuesto las corrientes de entrada al proceso, trio-leina y metanol, se presurizan a 200 bar y fluyen a través de intercambiadores don-de se recupera parte de la energía del efluente del reactor. Las corrientes se mez-clan y calientan a 400 °C a la entrada del reactor, donde se definió una conversión de 99.5% de trioleina. El efluente del reactor se despresuriza y se envía a un flash. La fase vapor del flash se envía a una columna de destilación donde se recupera el metanol en exceso. La fase líquida se destila en dos columnas para recuperar el

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biodiesel y los subproductos de glicerol como producto en la primera columna y reciclar el metanol del producto de cima en la segunda columna. El resumen de las corrientes y el consumo energético total del proceso así como resultados previa-mente publicados (Glisic & Skala, 2009) para un proceso supercrítico con una rela-ción molar de 42:1 y 300 °C y el proceso convencional catalizado por bases se usaron para realizar una evaluación de impacto ambiental por medio del Algoritmo WAR, una herramienta de optimización de procesos desarrollada por la EPA. Resultados y Discusión La Figura 1 muestra el potencial de impacto ambiental (PEI) de salida y el genera-do por las tres alternativas de proceso. El PEI para el proceso supercritico propues-to es casi 3 veces menor al generado por los procesos supercritico a 300 °C y el proceso convencional, lo cual puede atribuirse al menor consumo energético y a la inclusión de los subproductos del glicerol en la corriente de producto.

Conclusion

La producción de biodiesel por medio de transesterificación supercrítica se ha propuesto como alternativa a los procesos convencionales. Sin embargo, las altas relaciones molares usadas imponen restricciones económicas y ambientales. Un proceso supercrítico a 400 °C y relación molar 9:1 se ha simulado y comparado con un proceso convencional y un supercritico a 300 °C y relación 42:1. La evaluación ambiental indica que el proceso propuesto produce menos impacto debido a un menor consumo energético y a la posibilidad de incrementar la productividad de biocombustible por medio de reacciones de descomposición del glicerol en éteres, los cuales tienen el potencial de ser usados como parte del biocombustible.

Referencias Anitescu, G. Deshpande, A., Tavlarides, L. Energy Fuels, 22, 1391-1399. Glisic, S. Skala, D. J. Supercrit.Fluids, 49, 293-301. Marulanda, V. Aniscu, G. Tavlarides, L. Energy Fuels, 24, 253-260.

239

EVALUACIÓN DE LAS EMISIONES DE GASES DE EFECTO IN-VERNADERO ASOCIADAS AL CICLO DE VIDA DE DIFERENTES

SISTEMAS BIOENERGÉTICOS COLOMBIANOS (Análisis de ciclo de vida (ACV) de biocombustibles)

Mónica J. Valencia1, Carlos A. Cardona1 y Ricardo A. Tolosa1,2

1. Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, Cra. 27 No. 64-60, mjvalenciab@unal.edu.co,

ccardonaal@unal.edu.co, ratolosac@unal.edu.co

Introducción Los biocombustibles, y sistemas de bioenergía en general, se han plantado como

una posible solución a la crisis energética y, a su vez, con el objetivo de mitigar los impactos ambientales asociados a las fuentes convencionales de energía, princi-palmente las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), el calentamiento global y el cambio climáticoa. Dentro de las metodologías de evaluación ambiental para sistemas de bioenergía, el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) ha sido el enfoque metodológico más empleado en este tipo de sistemasb. En el presente documento se lleva a cabo la cuantificación de GEI por medio de ACV para distintos sistemas de bioenergía para Colombia: Bioetanol, Biodiesel, Biohidrógeno y biogás.

Materiales y métodos Se llevo a cabo la determinación de las corrientes GEI (CO2, CH4, N2O) para los

siguientes sistemas, por medio de modelamiento y simulaciónc: - Caso 1. Bioetanol a partir de caña de azúcar. Unidad Funcional (UF): 1 MJ.

Procesos considerado (PC): Producción y uso de fertilizante (PUF), produc-ción de pesticida (PP), balances de materia, balances de energía para la eta-pa industrial (BME).

- Caso 2. Biodiesel a partir de palma aceitera: UF: 1 MJ. PC: PUF, PP, BME. - Caso 3. Biohidrógeno a partir de melaza de caña: UF: 1 MJ. PC: PUF y PP

para la producción de caña de azúcar. Producción de la melaza de caña. BME.

- Caso 4. Biogas a partir de residuos sólidos municipales. Unidad funcional: 1 Kg de biogás producido. PC: reactores de digestión anaerobia, manejo de residuos sólidos (producción de biochar).

- Caso 5. Biodesel a partir de la microalga chlorella Vulgaris. UF: 1 Kg de CO2 de entrada al sistema. La corriente de entrada es producto de la com-bustión de cascarilla de arroz. PC: La combustión de la cascarilla de arroz, crecimiento y cultivo del alga, producción de biodiesel y uso de la pasta de alga para la producción de energía por co-generación.

240

Resultados y discusión En la tabla 1 se muestran los principales resultados para los sistemas en consi-

deración. Dado que tanto los biocombustibles como las unidades funcionales con-sideradas en este trabajo son diferentes, no es posible una comparación entre ellos, sino un análisis individual y solamente la comparación para aquellos que tienen la misma unidad funcional.

Tabla 1. Eficiencia energética y emisiones de GEI asociados a los casos de estudio

Parámetro Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5

Producción 52800 m3/año

de bioethanol

33400 m3/año

de biodiesel

9504 m3/año

de bioetanol

18,920 K

biogás/Kg de

Residuo

municipal

0,097 Kg de biodie-

sel/ Kg cascarilla

GEI 26,99

gCO2e/MJ

23,60

gCO2e/MJ

20, 04

gCO2e/MJ

1,36 KgCO-

ee/Kg biogas

1,06

KgCO2e/KgCO2

Las emisiones para el caso 1 y 2 son del orden de magnitud de las reportadas en

la literatura. El caso 3 ha sido estudiado a nivel de laboratorio en su mayoría, por lo que no se dispone de la suficiente información comparativa. El caso 4 ha sido ex-hastivamente estudiado en el marco de los proyectos de desarrollo limpio y los resultados indican una buena aproximación para ello. El caso 5, si bien el rendi-miento es aparentemente bajo, los resultados están muy cercanos a la neutralidad de carbono para el proceso.

Conclusiones Los criterios ambientales asociados a la evaluación de los sistemas de bioenerg-

ía están relacionados con las características propias del sistema, lo que hace difícil concluir acerca de ellos, a menos que el indicador utilizado sea incluyente por sí mismo. En el presente documento se muestra un indicador que puede ser adecuado para el biogás y para la producción de biodiesel utilizando algas, pues los resulta-dos directamente hablan de la sostenibilidad del proceso.

Agradecimientos Los autores desean expresar su agradecimiento a la Dirección de Investigación

de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, la Dirección de exten-sión de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales y a la Universidad Autónoma de Manizales, por el soporte financiero dado a este trabajo.

Referencias a. Zidanzek, A., Blinc, R., Jeglic, A., Bekteshi, S., Slaus, I. International Journal of Hydrogen Energy, 2009;

34 (16): 6980-6983. b. Cardona, C.A., Sánchez, D.L., Sánchez, O.J. Revista Universidad EAFIT, 2007; 43 (146): 59-79. c. Quintero, J.A., Montoya, M.I., Sánchez, O.J., Giraldo, O.H., Cardona, C.A. Energy, 2008; 33 (3): 385-399.

241

ANALISIS TÉCNICO-ECONÓMICO, AMBIENTAL Y EXERGE-TICO DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL DE ACEITE DE

PALMA EN COLOMBIA (Análisis de Ciclo de Vida)

Diego Martinez-Merlano1, Wilmer Jaimes1, Israel Herrera2 y Viatcheslav Ka-

farov1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigación para el Desarrollo Sostenible en Industria y Energía, carrera 27 calle 9, Bucaramanga, diego2ms@gmail.com

2. Centro de Investigaciones Energeticas, Medioambientales y Tecnologicas, Avenida Complutense, Madrid, España.

1. Introducción Existen diversas metodologías que permiten desarrollar la gestión medioam-

biental de procesos o productos, como el análisis de ciclo de vida (ACV), que per-mite evaluar los impactos generados por un producto, incluyendo las etapas de elaboración, distribución y uso. Con el objetivo de cuantificar los impactos genera-dos por los biocombustibles, el trabajo se enfocó en evaluar la sostenibilidad am-biental de la producción de biodiesel, utilizando como materia prima el aceite de palma africana. Con este objetivo se hicieron análisis de inventarios para las si-guientes etapas: la adecuación de viveros, terrenos, la extracción del aceite, pro-ducción del etanol, la producción del biodiesel su distribución y uso. Se tuvo en cuenta en cada etapa del proceso los gastos de energía, consumos de vapor y agua, compuestos químicos requeridos, transporte de las materias primas y productos. Los procesos de producción de biodiesel y etanol lignocelulósico fueron simulados en Aspen HYSYS® 2006.5 utilizando información reportada en la literatura. Fi-nalmente se evaluaron las emisiones ambientales, utilizando SimaPro 7.1® y las bases de datos ECOINVENT, ETH-ESU 96 y BUWAL 250 contenidas en el mis-mo.

2. Metodología 2.1. Simulación de la planta de biodiesel

En esta etapa fue necesario definir los compuestos químicos y a su vez las propie-dades fisicoquímicas y termodinámicas de aquellos que no se encuentran en la librería del software para continuar con el montaje de la planta con sus diferentes etapas: esterificación de ácidos grasos libres, reacción de transesterificación, recu-peración del etanol, separación y purificación del biodiesel y la glicerina.

2.2. Análisis de ciclo de vida (ACV) Para realizar el ACV de la producción de biodiesel se siguió los procedimientos establecidos en las normas ISO 14040 y 14044 de 2006, donde se definieron los objetivos, el alcance del estudio y el análisis de inventario.

2.3. Análisis de ciclo de vida (ACV)

242

La evaluación económica se realizó mediante el software Aspen Icarus Process Evaluator (IPE) 2006.5 (Aspen Technologies, Inc., EUA), que permite realizar diseños específicos, detallados, análisis de inversión y cronogramas, a partir de la información obtenida como los resultados de una simulación de un proceso. Este evaluador posee una interfaz con el paquete Aspen Hysys que permitió transferir los resultados de la simulación en la cual se trabajó.

3. Resultados y conclusiones

Al comparar los cuatro sistemas se puede observar que al adicionar biodiesel a la mezcla de combustibles se presenta una disminución significativa en las categorías de impacto que afectan la salud humana y el consumo de recursos no renovables, principalmente por la disminución de emisiones de CO2 y el consumo de combus-tible fósil. La calidad del ecosistema se afecta de manera particular dependiendo de la cantidad de biodiesel presente en la mezcla, ya que para las mezclas B10 y B20 los niveles de eutrofización/acidificación son más altos que cuando se utiliza diesel fósil, lo cual es consecuencia del uso de fertilizantes nitrogenados. La utilización de una mezcla B100 reduce levemente las cargas ambientales sobre el ecosistema. El costo de operación es el mayor de los costos en el proyecto debido a que incluye los costos de la materia prima y de operación de los equipos, este costo fue de 79.55 millones de dólares. El costo de capital es el que incluye todos los gastos necesarios para montar la planta en su parte operativa y fue de 24.11 millones de dólares. El costo de los fluidos de servicio industriales que incluye agua de enfria-miento y vapor de calentamiento a 690 Kpa fue uno de los más bajos con 2.3 mi-llones de dólares. Las ventas totales fueron de 90.83 millones de dólares esto se debe a que los productos que se vendieron en la planta fueron biodiesel y glicerina. El 73,86% de la exergía de entrada al sistema está representado por el ACP, el cual lleva a pensar que casi toda esta exergía es transformada y/o adquirida por el bio-diesel, debido a que éste representa el 73,38% de la exergía a la salida del proceso. La participación del hidróxido de sodio, el agua y el acido sulfúrico con respecto a la exergía de entrada al sistema, es insignificante, pues sus flujos molares y exergía química son pequeños en comparación con las demás corrientes involucradas. El total de exergía destruida (irreversibilidades) en el sistema corresponde al 14,59% de la exergía de entrada, en el que participa cada uno de los equipos de la planta.

Referencias a. WEST, Alex H., POSARAC, Dusko., ELLIS, Naoko, Assessment of four biodiesel production

processes using HYSYS.Plant. Bioresource Technology 99 (2008) 6587–6601 b. PeterM.S. Y Timmerhaus K.D. "Plant Design and Economics for Chemical Engineers".Ed.

McGraw Hill 1991

244

ESTUDIO DE LA BIOTRANSFORMACION DEL NONIL FENOL ETOXILADO MEDIANTE LA PEROXIDASA DE PALMA REAL (

Roystonea regia)

(Sostenibilidad de Biocombsutibles)

Carolina Salazar Clavijo1, John Jairo Castillo Leon2, Andrés Felipe Yepes Perez3, Oscar Darío Guarín Villamizar4

1: Universidad de Santander-UDES, Grupo ambiental de investigación aplicada GAIA UDES, caroli-nasalazar.c@hotmail.com

2: Universidad de Santander-UDES, Grupo de investigación en ciencias químicas y tecnologías sos-tenibles QUIMISOST UDES, jojacale@gmail.com

3: Universidad de Santander-UDES, Grupo de investigación en ciencias químicas y tecnologías sos-tenibles QUIMISOST UDES, Andre_yepes@hotmail.com

4: Universidad de Santander-UDES, Grupo de investigación en ciencias químicas y tecnologías sos-tenibles QUIMISOST UDES, Oguarin@udes.edu.co

INTRODUCCION Los plaguicidas se constituyen en una fuente importante de contaminación debido a los compuestos químicos que utilizan los cuales contaminan el suelo y el agua. En el agua la contaminación por plaguicidas se produce al ser arrastrados por el agua de riego de los campos de cultivo hasta los ríos y mares donde se introducen en las cadenas alimenticias provocando la muerte de varias formas de vida necesarias en el balance de algunos ecosistemas, además dependiendo del tipo de suelo estas aguas mezcladas con plaguicidas pueden infiltrarse llegando hasta el nivel freático contaminando así las aguas subterráneas. (a) Uno de los compuestos usados en la preparación de plaguicidas es el fenol y los compuestos derivados de este como el nonilfenol etoxilado, requieren una relevan-te atención en el estudio de la contaminación del ambiente, debido a su toxicidad y prevalencia en agua, su eliminación es difícil debido a su estabilidad y solubilidad en el medio acuático. Por esta razón se han planteado diferentes alternativas para la degradación del fenol de las aguas residuales entre esos métodos la conocida bior-remediacion que plantea la utilización de microorganismos para la eliminación de estos compuestos, además de este método no se ha estudiado la posibilidad de otro tipo de biodegradación de los compuestos fenolicos como puede ser la degradación enzimática. Es por lo anterior que se hace necesario realizar un estudio que evalúe la degradación de los fenoles por medio de la utilización de una enzima como la peroxidasa obtenida de la palma real (Roystonea regia). METODOLOGÍA 1. Extracción y semipurificacion de la enzima: La PPR será extraida de las ho-jas de palma real (Roystonea regia) cultivadas en las instalaciones de la Universi-dad de Santander; dentro de esta etapa se encuentran los siguientes pasos:

245

• Recolección de las hojas de la palma real • Extracción de la enzima utilizando un buffer fosfato agitando mecánica-

mente durante 24 horas. • Eliminación de los residuos sólidos mediante extracción al vacío. • Eliminación de pigmentos (polifenoles) y precipitación de proteínas utili-

zando el sistema bifásico compuesto por (NH4)SO4 y polietilenglicol 14000 (PEG) agitando durante un periodo de 2 horas.

• Separar la fase clara conteniendo la enzima de la fase oscura (fenoles y demás proteínas) mediante decantación.

2. Caracterización de la PPR • Caracterizar espectroscópica mediante UV-vis • Identificación de las bandas características de la enzima a 260 nm y 403

nm en los espectros de UV-vis • Caracterización espectroscópica de la enzima mediante espectroscopia de

fluorescencia • Medición de la actividad enzimática (U/ml) utilizando guayacol como sus-

trato a 468 nm. • Estudio de la estabilidad de la enzima en un rango de pH 3-10 y en un ran-

go de temperaturas entre 25-70°C

3. Evaluación del efecto degradador de la PPR en el nonil fenol etoxilado En este etapa se realizara el análisis del potencial degradador de peroxidasa de palma real en el nonil fenol etoxilado para esto se tendrán en cuenta entre otros, curvas de calibración y porcentajes de remoción REFERENCIAS a. Sanchez samorano laura. (2009). Caracterizacion fisico-qumica de la peroxidasa de palma

real (Roystonea regia) una enzima con elevada estabilidad. Tesis doctoral. Universidad de salamanca.

b. Sakharov I., Sakharova. I. (2002). “Extremely high stability of African oil palm tree peroxi-dases." Biochimica et Biophysica Acta 1598: 108-114.

c. Sakharov, I. (2004). "Palm tree peroxidases." Biochemistry (Moscow) 8: 823-829 d. www.uaemex.mx/Red_Ambientales/docs/congresos/...Y.../TBA035.doc e. www.prtr-es.es/Nonifenol-y-Etoxilatos-de-nonifenol,15651,11, 2007.html

246

HIDROCARBURO SINTETICO A PARTIR DEL RECICLAJE DE AEROSOLES DE CARBONO EMITIDOS POR COMBUSTION DE

BIODIESEL (Sostenibilidad de Biocombustibles)

José Fernando Amaya Arciniegas

Av. Circunvalar 77 – 80 airetecnologias@gmail.com

Introducción La combustión de biodiesel, diesel ó su mezcla produce aerosoles de carbón conocidos como Hollín que, al ser retenido y reciclado es materia prima industrial, también puede ser hidrogenizado obteniendo una mezcla viscosa de características físicas similares al petróleo en color, olor, textura, brillo y densidad, sin parafinas, naftas o subproductos retirados en columnas de destilación. Compuesto química-mente por una baja proporción de azufre, hidrógeno y carbono al que he denomi-nado Hidrocarburo Sintético.

Materiales y Métodos

Investigar los múltiples contaminantes del aire, fructificó en desarrollar un novedoso filtro catalizador oxidante, reductor de aerosoles de carbono presentes en emisiones diesel, refinada tecnología, vida útil prolongada (7 años) simpático al medio ambiente, eficiencia 87.5% en disminución de opacidad y retención de partículas PM-1 de carbono y azufre, adaptable a cualquier motor diesel sin impor-tar estado, modelo, marca, cilindrada, altura sobre el nivel del mar, calidad del combustible o modo de conducción.

Resultados y Discusión

El “Hidrocarburo Sintético” es el primer logro en reciclaje de Hollín (aerosol de carbono) emitido por motores diesel. Las posibilidades de inves-tigación alrededor del “Hidrocarburo Sintético” son amplias, presentan un inexplorado espectro de desarrollo en carboquimica, usos y aplicaciones industriales, hasta ahora inciertos pero probables a partir del principal con-taminante del aire que respiramos.

Conclusiones

Retener hollín disminuye la contaminación y calentamiento atmos-féricos, reduce GEI y lluvias ácidas, ayuda a estabilizar ciclos térmicos y estacionales del planeta, disminuye riesgos en salud poblacional, enferme-dades respiratorias y cáncer de piel. A nivel orgánico beneficia suelos, co-sechas, protege la diversidad biológica y proyecta la estabilidad de vida en el planeta.

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DISEÑO Y VALIDACIÓN DE UN PROTOTIPO DE RESPIROME-TRO

(Sostenibilidad de biocombustibles)

Oscar Darío Guarín Villamizar1

Claudia Viviana Navas2

1Químico, Magister en Consultoría y Gestión Medioambiental, Investigador de los grupos: ciencias químicas y tecnologías sostenibles- QUIMISOST y grupo ambiental de investigación aplicada –

GAIA. Universidad de Santander- UDES- , Bucaramanga, Colombia. 2Estudiante Ingeniería Ambiental. Joven Investigadora Grupo Ambiental de Investigación Aplicada –

GAIA. Universidad de Santander- UDES- , Bucaramanga, Colombia.

RESUMEN Esta investigación está enmarcada como la primer etapa de un proyecto aprobado y en curso de la facultad de ciencias exactas físicas y naturales en la Universidad de Santander (UDES) llamado “Diseño y construcción de un prototipo de respirome-tro multiparametrico sistematizado” la cual pretende ser una herramienta pionera en la universidad para afianzar conocimientos teóricos y prácticos en cuanto a la respirometria, llevarlos a la práctica y mostrar su aplicabilidad mediante modelos experimentales que permitan observar la eficiencia y proximidad en la medición de sus parámetros. Se desarrolló, valoró y optimizó un prototipo en vidrio único en la UDES basado en cinco respirometros modificados de Bartha y cinco de Warburg [8]. Se realizaron ensayos usando 100 gramos de suelo contaminado con gasolina corriente y se validaron usando muestras ambientales de suelos contaminados con pesticidas, para este estudio, el diseño experimental se apoya en el programa Stat Graphics Centurion versión XVI.I este modelo de prototipo basa su confiabilidad en la reproducibilidad de los datos obtenidos. Palabras clave: respirometro, prototipo, Warburg, Bartha. INTRODUCCION Los datos respirométricos se usan como comparación directa entre el consumo de oxígeno de dos muestras de ensayo o entre una muestra y un control. Debido a las diferencias entre los usos, cultivos de cepas, aplicaciones de resultados y entre instrumentos, no se puede definir un procedimiento sencillo para pruebas respiro-métricas que aplique para todos los casos. La diversidad de métodos existente, sumada a las diferentes formas de expresar los resultados obtenidos y a las diferen-tes interpretaciones de lo que es biológicamente estable se genera confusión en su uso. Partiendo de esta base, el objetivo de este trabajo es hacer un prototipo y dis-cusión de las diferentes técnicas que han sido propuestas por diferentes autores basados en los índices respirométricos. A nivel regional existe interés por parte del sector industrial en incorporar prácticas que estén de acuerdo con las políticas Nacionales y mundiales en cuanto a la mejo-

248

ra del medio ambiente, específicamente el interés radica en el tratamiento de resi-duos sólidos que dejan estas grandes industrias. Un posible candidato que cumple con estas condiciones es el compostaje, el cual hace posible la revalorización de estos desechos haciéndoles reutilizables no sólo por la industria que los genera sino también pueden ser útiles a nivel agricola. Por tal razón en esta investigación en la culminación de todas sus etapas se propone contruir un prototipo de respirometro multiparámetrico sistematizado, que permita medir simultánemaente índices respi-rometricos tales como oxígeno consumido, dióxido de carbono emitido, pH, tempe-ratura y humedad en un compostaje de prueba. METODOLOGIA El prototipo que existe en la universidad se ha construido en vidrio resistente al calor y consta de un erlenmeyer de 13,5 cm de alto por 8cm de ancho adosado a una probeta de 22,2 cm de alto por 2,7cm de ancho por medio de un tubo circular de diámetro 1,5cm y de largo 5cm, los corchos de trabajo son siliconados se usan dos uno que va con el erlenmeyer cuyas medidas son 2,3 cm de alto, diámetro ex-terno y diámetro interno 2,3cm para la probeta un corcho cuyas medidas son 2,3 cm de diámetro interno; 2,3 cm de alto y 3,2 cm de diámetro externo, el corcho para el erlenmeyer tiene un orificio de 1cm en el cual va un filtro de aire estilo pipeta de 20cm de largo con diámetro interno de 5mm y externo de 9mm. El proto-tipo posee capacidad para trabajar con muestras solidas de 100gramos y líquidas hasta de 150mL. Fueron realizados 10 respirometros: 5 de Bartha y 5 Warburg modificados usando el mismo principio de la técnica de cada autor con diferentes diseños para escoger los mejores de cada tipo y luego validarlos mediante muestras aplicadas al área de ambiental, como se muestra continuación es de aclarar que el análisis inicial se da por comparación y reproducibilidad CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Para todos los respirometros Warburg del 1 al 5, el P-Value es menor que 0,05 demostrando que si influye notablemente la concentración del conta-minante en la producción de CO2, luego, rechazamos nuestra hipótesis ini-cial. - La concentración del contaminante si representa una variación signi-ficativa en la Producción de CO2, medida de la actividad microbiana.

• Para todos los respirometros Bartha del 1 al 5, el P-Value es menor que 0,05 demostrando que si influye notablemente la concentración del conta-minante en la producción de CO2, luego, rechazamos nuestra hipótesis ini-cial. La concentración del contaminante si representa una variación signifi-cativa en la Producción de CO2, medida de la actividad microbiana.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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[1] F. ADANI, P. Lozzi y P. Genevini. “Determination of biological stability by oxygen uptake on municipal solid waste and derived products”. Compost Science & Utilization 9, 163-178 (2001). [2] F. ADANI, G. Gigliotti, F. Valentini y R. Laraia. “Respiration index determination: a compara-tive study of different methods”. Compost Science & Utilization 11, 144-151 (2003) .

250

EVALUACIÓN DEL EFECTO DE BIOSÓLIDOS DERIVADOS DE LA VINAZA SOBRE LA FISIOLOGÍA DEL SORGO DULCE.

(Sostenibilidad de biocombustibles)

John Arias1, Edgar Castillo1, Julia Acero1, Libardo Pinto2 e Ivan Porras2 1. Instituto Colombiano del petrolero (ICP), Grupo de Biocombustibles, km 7 vía Piedecuesta (San-

tander) julia.acero@ecopetrol.com.co 2. Universidad Industrial de Santander (UIS), Tecnología Agropecuaria y Producción agroindustrial,

Calle 9 # 27 Bucaramanga (Santander), agroinseduis@gmail.com Introducción

La política energética (Ley 693 de 2001) propició el crecimiento de la industria del etanol carburante y por ende la producción de efluentes como las vinazas. Lo anterior hizo que las corporaciones autónomas restringieran el uso de estos efluen-tes para asegurar un crecimiento sostenible del sector (Quintero, 2004). Con el fin de dar alternativas para la disposición de las vinazas en el proyecto de ECOPE-TROL en la altillanura del META, el ICP planteó tres alternativas tecnológicas que permiten estabilizar los orgánicos en la vinaza y dejar disponibles los nutrientes para el desarrollo de la planta y de la capa arable. Una vez definidas las condicio-nes de producción de los biosólidos, se planteó una evaluación del efecto de los productos en la emergencia y el crecimiento del sorgo dulce, razón por la que se definió la experimentación que se describe a continuación.

Materiales y Métodos

El estudio se realizó en un suelo de la Granja Educativa “El Hangar” de la UIS, localizada en el municipio de Piedecuesta. Para la evaluación se suplió el 100% de los requerimientos de potasio del sorgo LASPHT-70, con una dosis única y los demás nutrientes con la fertilización convencional. Se utilizó un diseño de bloques al azar, con dos repeticiones. Los tratamientos estudiados fueron, Ecocarbovin a 8 Ton/ha (T1), Ecovinasol a 23 Ton/ha (T2), Bagazo a 21 Ton/ha (T3), Testigo con-vencional suministrando el potasio mediante KCl (T4) y Testigo absoluto con cero aplicaciones (T5). La siembra se realizó con dos semillas, las cuales fueron distan-ciadas 0.70 m entre surcos y 0.10 m entre plantas. Las variables evaluadas fueron: porcentaje de emergencia, altura de la planta y número de hojas a los 10, 20 y 30 días después de la emergencia.

Resultados y discusión

Los valores del porcentaje de emergencia y altura de la planta se presentan en la Figura 1. La aplicación de los biosólidos estimuló la altura de las plantas, con valo-res muy similares a los hallados para la fertilización mineral y superior a las culti-vadas en el tratamiento control, en los tres ciclos de observación, 10, 20, 30 días

251

después de la emergencia. Los resultados son la respuesta de la planta al aumento de la concentración de nutrientes por los biosólidos.

Figura 11.Comportamiento de la línea de sorgo LASPHT-70 a las aplicaciones de los biosólidos y la

fertilización mineral. 10, 20 30 días después de la emergencia (promedio de dos repeticiones).

La aplicación de los biosólidos incrementa el número de hojas por planta, lo-grando valores similares a los de las plantas cultivadas con fertilización mineral y superiores a las desarrolladas en el Tratamiento control como se muestra en la Fi-gura 2. Los resultados son muy similares a los encontrados por varios autores que aplican biosólidos para mejorar las características del suelo, encontrando aumento en el crecimiento de las plantas y en el área foliar (Quintero, 2007,Garcia, 2006).

Figura 12.Efecto de la aplicación de los biosólidos sobre la variable número de hojas, de la línea de

sorgo LASPHT-70. Conclusiones

Los biosólidos suministran los requerimientos de nutrición de potasio necesa-rios para las plantas de sorgo, permitiendo el normal desarrollo de su fisiología.

Agradecimientos Se agradece a ECOPETROL por el financiamiento de este proyecto. Referencias.

a. Garcia, A. (2006). Posibilidades de uso de la vinaza en la agricultura de acuerdo con su modo de acción en elos suelos. Técnicaña, 3-13.

b. Quintero, D. (2007). Investigaciones sobre el manejo de las vinazas aplicadas al suelo. Palmira: Cenicaña. c. Quintero, R. (2004). Perspectivas acerca del uso y manejo de las vinazas aplicadas al suelo. Encuentro sobre vinazas,

potasio y elementos menores para la agricultura sostenible. (pág. 233). Palmira: Corpoica.

252

EFECTO DEL FLUJO MÁSICO DEL JUGO DE CAÑA DE AZÚCAR Y DE LA TEMPERATURA EN LA EVAPORACIÓN EN PELÍCULA

DE PLACA PLANA (Sostenibilidad de biocombustibles)

Mendieta O.1, García H.2, Escalante H.1

1. Universidad Industrial de Santander, Centro de Estudios e Investigaciones Ambientales CEIAM,

Cra 27 calle 9, Bucaramanga – Colombia, hescalante@uis.edu.co. 2. Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria CORPOICA, Km 14 Vía Mosquera Cun-

dinamarca – Colombia, hgarcia@corpoica.org.co.

Introducción La producción de panela en Colombia es importante por ser una de las agroin-

dustrias de mayor tradición y ocupar el segundo puesto de producción en el mundo. El proceso de elaboración de panela involucra las etapas de clarificación, evapora-ción y concentración, abasteciéndose energéticamente por la combustión del baga-zo de caña de azúcar (BCA), leña, caucho de llanta. El uso de combustibles adicio-nales al BCA incrementa los costos de producción y contamina el medio ambiente.

La evaporación del jugo de caña de azúcar (JCA) se realiza tradicionalmente en pailas abiertas, que operan por lotes y la ebullición es “tipo alberca”, por tanto para alcanzar el punto de ebullición del JCA se debe vencer la presión atmosférica y la ejercida por la columna de líquido dentro del recipiente. La evaporación se favore-ce por el movimiento del fluido (convección forzada); sin embargo, estas pailas no utilizan paletas ni raspadores y por consiguiente el proceso se lleva a cabo por nu-cleación y convección natural; dando lugar a bajos coeficientes h. Realizar la eva-poración del JCA en un equipo tipo paila, con un elevado volumen por unidad de área de transferencia, no garantiza el mejor aprovechamiento de la energía.

En contraste, la evaporación en película favorece el proceso, pues genera una mínima cabeza estática del fluido, tiempos de residencia cortos y la transferencia de calor aumenta a diferencias de temperatura bajas. Este tipo de evaporadores se recomienda para materiales sensibles al calor, como es el caso de los jugos de fru-tas y las disoluciones de azúcar en agua. Por tanto, el objetivo del presente estudio fue evaluar experimentalmente el proceso de evaporación en película del JCA en un evaporador de placa plana. Se estudió el efecto de la rata másica (mA) y la tem-peratura de la superficie (TS) sobre el coeficiente h, ya que estas variables afectan significativamente el desempeño del evaporador.

Materiales y Métodos Se construyó un evaporador de placa plana a escala piloto (EPP) en acero inoxi-

dable 316L (ancho 0,13m, largo 1m y espesor 0,004m), abierto, operando a presión atmosférica. El jugo se suministró sobre la superficie plana en forma de película. La superficie de ensayo se calentó mediante una resistencia eléctrica hasta alcanzar un estado estacionario. El JCA se preparó a partir de miel de caña diluida con una

253

concentración de sólidos solubles (XA) de 24°B y temperatura (TA) de 75°C. El rango de evaluación para mA fue de 6–11–18,7–38,5kg/h, y para TS fue de 140, 160 y 180°C. La concentración de sólidos solubles totales se midió con un refractóme-tro Pocket PAL-2 ATAGO 45-93%. Las temperaturas se registraron mediante once termopares tipo K, con una precisión de ±0,1°C, cada 30s, conectados a un regis-trador de datos multiplexor y a un computador.

Resultados y discusión La variación de h en función de mA, para los tres niveles de TS se presenta en la

Figura 1. Se observa que h aumenta al incrementar mA, debido a que la transferen-cia de calor es proporcional al espesor de la película, y este último aumenta con mA. Por otro lado, h se ve favorecido al incrementar TS lo cual puede ser causado por el aumento de los sitios activos de nucleación. En estudios anteriores se reportan va-lores de h para las pailas entre 11,2W/m2K a 150,5W/m2K, los cuales son supera-dos satisfactoriamente por el EPP como se muestra en la Figura 1, debido a una mejor transferencia de calor dada por la reducción en la cabeza estática y al movi-miento del fluido.

Figura 1. Efecto de mA sobre h a XA=24°B, TA=75°C y TS=140°C, 160°C y 180°C.

Conclusiones El proceso de evaporación del JCA se ve favorecido en un Evaporador de Placa

Plana, dado que se obtienen coeficientes h más altos que los reportados para la evaporación en pailas. Adicionalmente, es viable realizar la evaporación del JCA en Placa Plana en rangos de temperatura menores que los de una hornilla, los cua-les pueden encontrarse entre 340°C y 900°C, indicando que en este tipo de confi-guración se consigue un mejor aprovechamiento de la energía calórica. A futuro, la implementación de un EPP en el proceso de elaboración de panela reduciría el con-sumo de BCA.

Agradecimientos: Los autores agradecen a Corpoica y a la Universidad Industrial de Santander (CEIAM) por el desarrollo del presente estudio.

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EVALUATION OF GLYCEROL KETALS, GLYCEROL TRI-ACETATE AND BRANCHED ALCOHOL-DERIVED FATTY ES-TERS AS COLD-FLOW IMPROVERS FOR PALM BIODIESEL

(Sostenibilidad de Biocombustibles)

Sandra Y. Giraldo, Luis Alberto Rios and Natalia Suarez

Universidad de Antioquia, grupo Procesos Fisicoquímicos Aplicados, Sede de Investigación Universi-taria, cra. 53 # 61-30, sayagire@yahoo.com

1. Introduction Biodiesel has higher cetane number than conventional diesel, both biodiesel and

mineral diesel have similar energy and power content [1], but the performance of biodiesel in cold conditions is markedly worse than that of petroleum diesel. At low temperatures, biodiesel fuel forms wax crystals, which can clog fuel lines and filters in a vehicle’s fuel system [2,3]. Biodiesel from animal fats and palm oil, which have the highest levels of saturated fatty acids, have the highest cold flow properties, as could point (CP) and pour point (PP) [2,4-6]. Palm oil is the main biodiesel raw material used in tropical countries. Therefore, poor cold-flow proper-ties of this biodiesel are a critical issue that needs to be solved. Several strategies have been reported to improve cold-flow properties of biodiesel: blending with diesel [7], winterization [8-10], cold flow improvers [3,11], and blending of bio-diesels from different sources [12]. Comparative results on the evaluation of cold-flow improvers for palm biodiesel of the type glycerol cetals, glycerol triacetate and branched alcohol-derived fatty esters are presented. Their effects on CP and PP, crystallization temperatures and crystal sizes were measured.

2. Materials and methods Glycerol acetal, Glicerol triacetate, isopropanol, isobutanol, 2-butanol, H2SO4

and palm oil. 2.1. Synthesis of biodiesel and branched additives Palm oil biodiesel. Palm oil was transesterified with methanol using KOH as

catalyst. This reaction was carried out in round-bottom flasks, under vigorous stir-ring at 60°C for 1 h.

Branched additives. They were obtained by esterification of palm-oil fatty acids with branched alcohols. Fatty acids were produced by saponification of palm oil followed by acid-catalyzed hydrolysis. The esterification reaction was carried out in round-bottom flasks for 3 h, with sulfuric acid as catalyst. Reaction temperatures of 82°C, 95°C and 105°C for isopropanol, 2-butanol and isobutanol, respectively.

The cold-flow properties (CP, PN) were measured following the standards ASTM D2500 y D97. Crystallization temperature by differential scanning

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calorimetry analyses (DSC) and particle size analyses by dynamic light scattering (DLS), were made.

3. Results and discussion Table 1 shows CP and PP of palm biodiesel blended with the cold-flow improv-

ers evaluated at levels of 1%, 3% and 5%.

Table 1. Cold-flow properties of pure palm oil alkyl esters and palm oil with additives

Additive CP (°C) PP (°C) 1% 3% 5% 1% 3% 5%

Palm oil biodiesel (methyl) 16 14 Isobutyl esters (MIB) 13 12 12 12 11 10 Triacetate (MT) 13 12 11 12 10 9 Isopropyl esters (MIP) 12 12 11 11 11 10 Cetals (MC) 11 11 11 11 10 9 2-butyl esters (MB) 11 11 10 9 9 8

According with this Table, all additives have a positive effect on cold-flow

properties which are improved by increasing the amount of each additive. 2-buty esters is the best, it achieve a reduction of 6°C in CP and PP.

Figure 1 shows the DSC thermograms of palm biodiesel with 5% (vol.) of addi-tives (a) and the particle size profile of palm biodiesel, containing 1% of additives (b), as a function of temperature.

(a) DSC thermograms. 5% additives. (b) Particle size

Figure 13. DSC and particles profile of biodiesel + additives. B100: pure palm biodiesel, MT: tri-acetate, MB: 2-butyl esters, MC: cetals, MIB: isobutyl esters, MIP: isopropyl esters.

From Figure 1(a) crystallization temperature decreases in the order of triacetate

> isopropyl esters > isopropyl esters > cetals > 2-butyl esters. According with fig-ure 1 (b), it is evident that all the additives reduce the size of the crystals formed when palm biodiesel is cooled down. 2-butyl esters and cetals have the highest

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crystal-size reduction. Those results correlate with their effect on CP and PP re-ported in table 2.

4. Conclusions The best cold-flow improvers were 2-butyl esters of palm oil; upon addition of

5% of this additive the pour and cloud points were reduced about 6°C. DSC anal-yses accurately show that the additives decrease de crystallization points of bio-diesel. Particle size analyses by dynamic light scattering (DLS) show that the addi-tives act by decreasing crystal sizes; besides, this technique proved to be an easy and accurate way to determine the cold-flow behavior of biodiesel.

5. Acknowledgements Authors thank “Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia-Proyecto Transición de

la Agricultura” and “Universidad de Antioquia-Estrategia Sostenibilidad de Grupos” for financial support.

6. References [1] R. Anthony, Biodiesel Performance, Costs, and Use, U.S. Energy Information

Administration. http://www.eia.doe.gov/oiaf/analysispaper/biodiesel/. [2] L.G. Schumacher, W. Wetherell and J. Fisher, Cold flow properties of biodiesel and its

blends with diesel fuel. ASAE. Annual international ASAE meeting.(1999), Toronto, Canada [3] A. Kleinová, J. Paligová, M. Vrbová, J. Mikulec and J. Cvengroš, Cold flow properties of

fatty esters. IChemE B585 (2007), pp. 390-395. [4] S.Y. Giraldo, Mejoramiento de las propiedades de flujo en frio del biodiesel de palma:

Sintesis y evaluación de aditivos y winterización (2008), Trabajo de investigación, Maestria en Ingenieria, Universidad de Antioquia. Medellin- Colombia, pp. 189.

[5] A. Demirbas, Biodiesel. A realistic fuel alternative for diesel engines (2008), Springer. [6] Fuel properties of beef tallow and soybean oil esters. Ali, Y, Hanna, M.A y Cuppett, S.L.

1995, J Am. Oil Chem. Soc., Vol. 72, págs. 1557-1564. [7] M.J. Rushang and J.P. Michael, Flow properties of biodiesel fuel blends at low

temperatures, Fuel 86 (2007), pp. 143-151. [8] M.E. González Gómez, R. Howard-Hildige, J.J. Leahy and B Rice,Winterization of waste

cooking oil metil ester to improve cold temperature fuel properties. Fuel 81 (2002), pp. 33-39. [9] Á. Perez, A. Casas, C.Ma. Fernández, M.J. Ramosa andL. Rodríguez Winterization of

peanut biodiesel to improve the cold flow properties. Bioresource Technology 101 (2010) , pp. 7375-7381.

[10] P. Benjumea, A. Benavides and J.Agudelo, El fraccionamiento por cristalización del biodiesel de aceite de palma como alternativa para mejorar sus propiedades de flujo a baja temperatura. Revista Facultad De Ingenieria 43 (2008) , pp. 7-17.

[11] A. Kleinová, J. Paligová, M. Vrbová, J. Mikulec and J. Cvengroš, Cold flow properties of fatty esters. IChemE B585 (2007), pp. 390-395.

[12] Teixeira, Leonardo S.G., et al. Characterization of beef tallow biodiesel and their mixtures with soybean biodiesel and mineral diesel fuel. 2010, Biomass and Bioenergy, Vol. 34, pp. 438-441.

257

¨LITIO GENERADOR ENERGIA LIMPIA¨

Ing. Herber Rojas C

Ingeniero Electrónico Universidad de Santo Tomas de Aquino. Presidente & CEO de GU-RU GREEN S.A..

El litio y su explotación han tomado auge en los últimos años, siendo su principal aplicación, la generación de Energía. Bolivia en su salar de UYUNI posee quizás la reserva más grande de este mineral, seguido por Chile, China y Argentina, esta información se detalla en la tabla No1.

Tabla No1. Productores mundiales de Litio PAIS Exploración Explotación

BOLIVIA SI NO CHILE Si Si China

si si

Argentina si si La industria mundial, utiliza este mineral para producción de Energía Limpia no renovable, siendo su mayor uso actual, la producción de baterías de última genera-ción, que lleva la Electrónica Digital moderna, los usos mas destacados, son para Sistemas de Telecomunicaciones, Medicina, Autos híbridos y Eléctricos. En las fronteras de la ciencia, el isotopo producido por bombardeo de neutrones blancos de de Litio , es conocido como ¨Titrio (h3)¨, este se examina e investiga, como impulsor de Energía Atómica. El uso bélico de este mineral esta presente; la humanidad, una vez más decidirá su utilización. El futuro óptimo del Litio, deberá ser la generación de nuevos tipos de Energía Limpia. Su aplicación en la vida moderna del hombre es infinita y unido a nuevas tecnologías de Cubismo Energético como Ganofeno, harán en muy pocos años que la nanotecnología actual, sea obsoleta, tomando nuevas dimensiones, aun mas diminutas y generando nuevos desarrollos científicos para una mejor calidad de vida del hombre moderno. Los bajos costos de producción, su abundancia en la naturaleza, su flexibilidad para ser incorporado y compatible con nuevas tecnologías de desarrollo científico, ha-cen que el Litio, se convierta en una nueva herramienta Energética industrial y su impacto en el desarrollo de la humanidad y la economía mundial, prometen nuevos horizontes para nuestro planeta. La búsqueda perenne de fuentes energéticas sostenibles y en armonía ambiental con nuestro Planeta, tienen en el Litio, una respuesta que de momento parece una

258

fuente normal de energía, pero que los hallazgos científicos actuales, posicionan al LITIO como fuente principal de generación de energía convencional y Nuclear. El futuro del Litio, como impulsor de energía Limpia, no tiene limite, todos los días, empresas productoras de Energía, patentan nuevos alcances tecnológicos, cuya materia prima principal es el Litio. Los futuros Jueques petroleros, de la hu-manidad, podrían ser los poseedores de reservorios de este mineral. Solo como un ejemplo, si las centrales Nucleares de Chernobil (Ucrania 1986) y la PLANTA NUCLEAR DE FUKUSHIMA afectada por el Terremoto (Tsuna-mi) de la Costa del Pacifico (Japon – 2011), sus reactores nucleares hubieran sido implementadas con LITIO (Tritio) y no por Uranio, las consecuencias en todos los aspectos para la humanidad, hubieran sido exageradamente menores. Contamos con reservorios propios de LITIO en Argentina, implementamos actu-almente laboratorios privados de investigación y desarrollo para aplicaciones de LITIO en Colombia ,Panamá Y próximamente en Canadá. Principalmente nuestras investigaciones están dirigidas exclusivamente a la producción de cualqui-er tipo de energía, siguiendo los preceptos de la física moderna, la mecánica cuán-tica y estamos trabajando con los desarrollos obtenidos en Ganofeno, por la cien-cia moderna, a futuro estos productos serán los ganadores en el contexto mundial.

259

VALORIZACIÓN DE RESIDUOS DE LA INDUSTRIA DEL BIOETANOL: APROVECHAMIENTO DEL ACEITE DE

FUSEL PARA LA PRODUCCIÓN DE ACETATO DE ISOAMILO MEDIANTE UN PROCESO INTENSIFICADO EMPLEANDO

TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS (Sostenibilidad de biocombustibles)

Osorio-Viana, W. 1; Duque-Bernal, M. 1; Quintero-Arias J.D. 1;

Dobrosz-Gómez, I.2; Fontalvo, J. 1; Gómez-García, M.A1,*

Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales – 1Facultad de Ingeniería y Arquitectura – Departamento de Ingeniería Química –

2Facultad de Ciencias Exactas y Naturales – Departamento de Física y Química – Laboratorio de Intensificación de Procesos y Sistemas Híbridos

G.I.A.N.T.: Grupo de Investigación en Aplicación de Nuevas Tecnologías Cra 27 No. 64 – 60, Manizales, Apartado Aéreo 127 - Colombia

*magomez@unal.edu.co

Introducción El proceso de producción del bioetanol genera una importante cantidad de resi-

duos y subproductos, por lo que su sostenibilidad a largo plazo requerirá de nuevos procesos para darles valor agregado, mediante su transformación en otros produc-tos químicos más aprovechables. El aceite de fusel es un subproducto del proceso fermentativo y la posterior purificación del etanol, el cual se encuentra constituido principalmente por alcohol isoamílico en un 60-80% en pesoa. Mediante la esterifi-cación del alcohol isoamílico con ácido acético, se puede obtener acetato de isoa-milo, producto químico de gran importancia en la fabricación de productos quími-cos, alimenticios y cosméticos.

En este trabajo se describen las etapas básicas que se adelantan para el desarro-llo de un proceso simultáneo reacción-pervaporación, que aprovecha el desplaza-miento hacia altas conversiones de la reacción reversible de esterificación, emple-ando separación del agua de la mezcla reactiva mediante membranas cerámicas.

El desarrollo de un proceso de este tipo implica la consideración de diferentes elementos de la ingeniería química. Entre ellos, en este trabajo se discuten: (1) el ajuste de un modelo confiable que permita la predicción de los complejos equili-brios de fases y químico del sistema, (2) la correlación de un modelo cinético para la reacción química en condiciones homogéneas y en presencia de un catalizador sólido comercial, (3) la síntesis, caracterización y evaluación de una membrana cerámica tipo xerogel hidrofílico, apropiada para la separación de la mezcla, (4) el uso de la simulación de procesos para integrar los tres elementos anteriores en dife-rentes modelos de procesos (convencionales e intensificados) para adelantar el diseño conceptual, la evaluación operativa y la selección del esquema de proceso más apropiado mediante la evaluación técnico-económica de diferentes alternati-

260

vas, (5) el montaje experimental de un prototipo del proceso reacción-pervaporación, para su evaluación operativa y como etapa inicial de su montaje a escala industrial.

Materiales y Métodos Los estudios termodinámicos, cinéticos y de pervaporación de la mezcla ácido

acético/alcohol isoamílico/acetato de isoamilo/agua se han realizado empleando reactivos grado analítico. Para el análisis de las muestras obtenidas en los experi-mentos se han usado cromatografía de gases (Perkin Elmer Autosystem XL FID), valoración por Karl-Fischer y titulación ácido base (Metrohm 702 SM titrino). Se midieron equilibrios de fase liquido-vapor de la mezcla cuaternaria empleando un destilador al vacio. La cinética fue estudiada en un reactor batch empleando la resi-na de intercambio iónico Amberlite IR-120 como catalizador. La membrana cerá-mica fue sintetizada mediante la técnica sol-gel, fabricada con la técnica de dip-coating y caracterizada mediante FTIR, EDS y SEM. La membrana fue evaluada en un pervaporador batch de laboratorio empleando una técnica novedosa para el tratamiento de los datos experimentales. Los estudios de simulación se han adelan-tado empleando el software ASPEN Plus® y MatLab®.

Resultados Se ha logrado el ajuste de un modelo de actividad tipo NRTL para representar

de actividad de la mezcla cuaternaria bajo estudio, el cual resulta ser consistente desde el punto de vista de la termodinámica topológica. Se han correlacionado dos leyes de velocidad de reacción, empleando técnicas de la estadística computacional para la discriminación del modelo más apropiado en condiciones de reacción homogénea (36 variantes) y catalizada (12 variantes)b. Se ha sintetizado y evaluado una membrana cerámica apta para el proceso de pervaporación de la mezcla con alta selectividad hacia el agua y se ha correlacionado su respectivo modelo de per-meaciónc. La simulación de los esquemas de proceso convencionales e intensifica-dos con membranas ha permitido la identificación de condiciones de operación óptimas y la evaluación económica comparativa de las diferentes alternativas, pro-bando la viabilidad comercial del proceso propuesto.

Conclusiones Resultados en el área de la termodinámica, la cinética y la separación con mem-

branas, aportan todos al desarrollo de un proceso intensificado reacción-pervaporación para la producción de acetato de isoamilo, su diseño y evaluación técnico-económica asistida por computadora así como a su montaje experimental.

Agradecimientos A ECOPETROL, COLCIENCIAS y Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales, por la

financiación del proyecto “Producción de acetato de amilo mediante un proceso intensificado utili-zando tecnologías de membranas”, código 1119-490-26022, contrato RC No. 556-2009.

261

Referencias a. Küçük, Z.; Ceylan, K. Potential utilization of Fusel Oil: a kinetic approach for production of fusel oil esters through chemical reaction. Turk. J. Chem. 22, 1998, 289-300. b. Duque et al. Kinetic study on the homogeneous esterification of acetic acid with isoamyl alcohol. International Journal of Chemical Kinetics. Aceptado para publicación. 2012. c. Osorio et al. Intensification of isoamyl acetate production - Transport properties of silica mem-branes. Desalination and Water Treatment. Aceptado para publicación. 2012.

262

EVALUACIÓN DE LAS POSIBILIDADES DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS (ZNI) DEL PAÍS

CON ÉNFASIS EN EL USO DE BIOMASA

Kafarov Viatcheslav, Rosso Ana M., Rodríguez Leidy K.

Universidad Industrial de Santander, Centro de Investigaciones en control y simulación de procesos químicos (CISYC), Cra 27 Calle 9 Cuidad Universitaria, Escuela de Ingeniería Química, of. 202 y

vkafarov@gmail.com

Planteamiento del problema En la actualidad el sistema nacional de generación y transmisión de energía

eléctrica deja al 66% del territorio colombiano sin suministro eléctrico (ZNI). Es-tas zonas se caracterizan por su baja densidad poblacional (2 habitantes/km2), por estar ubicadas a una larga distancia de los centros urbanos, por la dificultad de ac-ceso y por su gran riqueza de recursos naturales. En este sentido, la preocupación del Gobierno ha sido cómo generar soluciones energéticas para estas zonas, que permitan la mejor provisión posible del servicio en términos de insumos, duración y tarifas, pero que además sean viables financieramente, sostenibles a largo plazo y amigables con el medio ambiente.

Introducción Países como la China y Brasil han utilizado sus recursos renovables para gene-

rar energía en el sector rural ya que han implementando planes energéticos no con-vencionales mediante el uso de energía eólica, solar y biomasa, que además de proveer de recursos eléctricos a zonas muy pobres también contribuyen a dismi-nuir el impacto ambiental provocado por la emisión de gases efecto invernadero.

En lo que respecta a Colombia se tienen altas posibilidades de producción de energía renovable por su posición geográfica y abundancia de recursos naturales. Posee una capacidad eléctrica instalada proveniente de fuentes de energías reno-vables de 24,1 MW; de los cuales, 2 MW provienen de sistemas solares fotovoltai-cos; 2,6 MW provienen de pequeñas centrales hidroeléctricas; y 19,5 MW corres-ponden al parque eólico Jepirachi localizado en el departamento de la Guajira.

Existe un potencial extraordinario por desarrollar principalmente en la región Caribe, destacándose, La Guajira para la generación con energía eólica y solar. En cuanto al potencial geotérmico se están desarrollando proyectos en áreas volcánicas de las cordilleras occidental y central. Colombia al ser el cuarto país en el mundo con mayor capacidad hidráulica cuenta con un amplio desarrollo de procesos hi-droeléctricos. Según el Plan Energético Nacional (PEN) se ha estimado un poten-cial global de 25.000 MW instalables en pequeñas Centrales Hidroeléctricas, de los cuales según inventario del Programa Nacional de Energías No Convencionales y de estudios adelantados por la Universidad Nacional de Colombia se han cons-truido 197 Pequeñas Centrales Hidroeléctricas destacándose la Vuelta, Ayura y la Herradura, con una capacidad instalada aproximada de 168,2 MW.

263

La biomasa residual como fuente de energía no convencional De todas las energías renovables la biomasa es la que mejor se aprovecha en el

mundo ya que representa el 14% del consumo energético mundial. En Colombia sólo se emplea para generación el bagazo de caña, aportando una capacidad insta-lada del orden de 25 MW, principalmente en sistemas de cogeneración. Si se inclu-yeran sistemas en los cuales se mezclan combustibles por (ejemplo bagazo y car-bón) esta capacidad se incrementa en 100 MW aproximadamente. La generación por biomasa es de gran importancia regional, se destacan por la disponibilidad para su aprovechamiento energético el bagazo de caña, la cascarilla de arroz, la cascari-lla de café, el cuesco y la fibra de palma de aceite, residuos de la industria maderera y residuos de cosechas como el banano. En las ZNI existe abundante biomasa, que puede ser utilizada de manera inmediata para la generación de energía eléctrica evitando los gastos de transporte de combustible fósil.

El aprovechamiento energético de la biomasa se puede realizar mediante proce-sos bioquímicos (fermentación alcohólica, digestión anaeróbica y digestión aeróbi-ca), termoquímicos (pirolisis, gasificación, licuefacción y combustión) y fisicoquímicos (extracción y transesterificación). Las características de la biomasa residual que se encuentra en el país, hacen de los procesos termoquímicos una alt-ernativa viable para su aprovechamiento energético. Adicionalmente, estos proce-sos tienen la ventaja de que su implementación no compite con el cultivo de pro-ductos alimenticios como ocurre en procesos como la fermentación alcohólica para la producción de bioetanol o la transesterificación para la producción de biodiesel.

DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS CINÉTICOS DEL EXTRACTO ENZIMÁTICO DE UN AISLAMIENTO NATIVO DE

Aspergillus spp. PARA LA PRODUCCIÓN DE JARABES DE GLUCOSA

L. Rueda1,3, A. Rueda1., C. Sánchez1,2 & D. Molina1,3

1Grupo de investigación en Bioquímica y Microbiología.

2Escuela de Bacteriología y Laboratorio Clínico. 3Escuela de Química.

Carrera 27 con calle 9, Ciudad Universitaria. Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia.

La obtención de jarabes de glucosa a partir de almidón se puede realizar por medio de hidrólisis química o enzimática. La hidrólisis enzimática puede resultar más económica y menos contaminante que la química, aunque debido a la complejidad de la estructura de almidón presenta como desventajas el requerimiento de pre-tratamiento físico y la conversión incompleta de almidón a glucosa. Para garantizar una producción mayor de glucosa la hidrólisis enzimática se divide en dos procesos licuefacción y sacarificación, en el primero se utilizan las enzimas α y β-amilasas, en el segundo se utilizan pululanasa, y glucoamilasa. Las pululana-sas son producidas principalmente por bacterias y las glucoamilasas por hongos. Comercialmente las enzimas de sacarificación son más costosas por ello se requie-re investigar su producción para reducir costos. Con el proyecto se buscó determi-nar las mejores variables para la producción de jarabes de glucosa utilizando un extracto enzimático obtenido de un aislamiento nativo de Aspergillus spp. La determinación de la concentración de proteína en el extracto enzimático se rea-lizó con el método colorimétrico de Bradford y la determinación de la concentra-ción de glucosa con el método de la glucosa oxidasa de Biosystems®. La elabora-ción del extracto enzimático se realizó en medio de cultivo líquido con soporte sólido, sin agitación, oxigenado con bomba de aire. Los parámetros cinéticos eva-luados fueron pH, con soluciones buffer acetato de sodio 16 mM y ácido cítrico 20 mM; temperatura; agitación; y relación enzima/sustrato. En el diseño de experi-mentos se tomaron como base los mejores resultados obtenidos de los parámetros cinéticos, pH 4.0, 4.5 y 5.0; Temperatura 55, 60 y 65 °C; Agitación 0, 200 y 400 r.p.m . Se procedió a la elaboración de un diseño de experimentos 33, para estable-cer, las variables que afectan la actividad enzimática y posteriormente optimizar las variables, para lo cual se utilizó el Statgraphics®.

El diagrama de Pareto muestra en forma decreciente el grado de importancia (signi-ficancia) que tiene los diferentes factores y sus combinaciones, por medio de la superficie de respuesta en la que se mantiene fija la agitación a 0 r.p.m. se ve como a medida que disminuye el pH, los valores para la Actividad Enzimática van au-mentando Para el extracto enzimático proveniente del hongo Aspergillus spp., las mejores condiciones para el proceso de hidrolisis son pH 4.0, temperatura 56,0 °C y agita-ción de 0 r.p.m. según datos obtenidos del Statgraphics® Agradecimientos Al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural (Proyecto No 2007D3321-639), y Dirección de Investigaciones de la Facultad de Salud de la Universidad Industrial de Santander (Proyecto No 5645). Bibliografia • Landazabal, P. Obtención de etanol a partir de almidón de yuca variedad Chile

en un proceso de dos etapas hidrólisis (Aspergillus niger)-Fermentación (Zymomonas mobilis). Trabajo de grado como para optar el título de químico. Universidad Industrial de Santander, Laboratorio de Biotecnología, Química. (2004).102 p.

• Sánchez, C., Mejia, C., Figueroa, C., Esquivia, M., Agudelo, L., y Zatapata, N. Biospropección de microorganismos nativos amilolíticos. Facultad de Ciencias Agropecuarias UDEA. (2004). Vol2. No. 1 pp. 8-17

Figura 1. A. Diagrama de Pareto Estandarizado para la Actividad Enzimática, B. Super-

ficie de Respuesta estimado para la Actividad Enzimática

Petro Verde Energy Inc. Suite 3300, 421 – 7th Avenue S.W., Calgary, Alberta, CANADA T2P 4K9 Tel: +1 403 807 8444 Email: jarsenych@petro-verde.com

Abstract: Petro Verde Energy Inc. Presentation

“New Technology for Stranded Crude Oil Reserves”

Background: An estimated 75% of the conventional crude oil resources

discovered to date will not be extracted under current practices. This

“stranded” oil represents an unusual opportunity to produce additional crude

oil with far less environmental impact than new projects. Petro Verde Energy

Inc. (PVE) is a privately held company located in Calgary, Alberta, Canada.

PVE is utilizing proprietary technologies to recover “stranded” crude oil at a

low cost and environmental impact.

Presentation: An overview of the enhanced oil recovery (EOR) technologies of

PVE will be given. A comparison of costs and environmental impact between

the PVE strategy and conventional oilfield practices will be given. Also

discussed will be the worldwide potential environmental impact of the

stranded oil strategy in comparison with the role of biofuels.

Conclusion: PVE is applying new technology to extract more crude oil from

existing reservoirs to reduce the approximately 75% that is typically left

behind. The worldwide environmental impact of this “stranded oil” strategy

could offer a substantial compliment to the role of biofuels.

Prairie BioGas Ltd. 200 – 2825 Saskatchewan Drive, Regina, Saskatchewan, CANADA S4T 1H3 Tel: +1 306 540 6997 Email: jireland@prairiebiogas.com

Abstract: Prairie BioGas Ltd. Presentation

“Efficient Pyrolysis of Solid Waste for Energy Production”

Background: Municipal solid waste (MSW) is a growing, world-wide problem

that requires more environmentally-sustainable technologies to resolve.

Prairie BioGas Ltd. (PBL) is a privately held company located in Saskatchewan,

Canada. PBL is building its first commercial waste-to-energy plant using a

proprietary low-temperature, vacuum pyrolysis technology. PBL’s unique

technology is economic at small scale (30 MT/day of processed MSW) because

of its high efficiency, and can be scaled up to larger systems. All energy

outputs are utilized: syn-gas, bio-char, and bio-oil.

Presentation: An overview of the design aspects of the PBL technology is

given. The ability to utilize all energy outputs is described, including the

future market potential for bio-char and bio-oil. The proprietary technology

for processing waste water from the system is also reviewed. Also described is

the carbon offset potential from the conversion of waste into electricity.

Conclusion: PBL has developed an efficient pyrolysis technology that can be

economically sustainable in jurisdictions of relatively high electricity prices.

The future market potential for carbon offsets, bio-oil and bio-char is an

enhancement to the long-term environmental impact for this emerging

company.

P.O. Box 493

Lethbridge, AB Canada, T1J 3Z1 Tel: +1 403 388-8950 Cel: +1 403 795 7070 Fax: +1 403 388-8920 Email: kelsey@kyotofuels.com

Abstract: Kyoto Fuels Corporation Presentation

“Efficient Biodiesel Production And Carbon Value”

Background: Governments worldwide are striving to reduce their carbon footprint

through the enforcement and promotion of biofuel production and usage. Kyoto

Fuels Corporation (Kyoto) is a privately held company located in Alberta, Canada.

Kyoto is in the completion stage of constructing a 66 million litre biodiesel facility

that will service the region’s mandated biofuels requirements. Kyoto’s unique

technology permits low input production of high quality biodiesel in the safest

possible environment and ensures the production of saleable co-product glycerin, an

aspect overlooked in many biodiesel production technologies.

Presentation: An overview of the technical aspects of the facility are given

including layout, cost saving measures, energy saving measures and future

technology improvement on these facets. The ability to utilize multiple feedstocks

is highlighted, as well as how new “food neutral” feedstocks for biodiesel

production are emerging into the marketplace and what Kyoto is doing to ensure

their promotion and production. The impact of the Renewable Fuels Standards in

North America are described and their effect on biodiesel production. Carbon

trading in Alberta is also highlighted, and how Kyoto has utilized this new market to

their advantage.

Conclusion: Kyoto has developed an efficient biodiesel production technology,

paired with a multiple feedstock strategy, aimed at supplying the growing demand

for biodiesel while overlapping with an optimal carbon value.

Modeling of Peptide Nanostructures for Biomedicine and Biotechnology Applications

Jennifer Carvajal Diaz

Artie McFerrin Department of Chemical Engineering Texas A&M University

Self-assembled peptide nanostructured materials present adjustability and functional capabilities that direct a wide range of applications: from biomedical scaffolds to molecular electronics and drug delivery. Peptides, as monomer units, constitute one of the most useful building blocks, with excellent chemical-physical stability and diversity. Challenges arise when considering that at the nanoscale level thermal, mechanical, structural and transport properties are significantly different from those in the bulk phase. Therefore, molecular modeling represents an important tool to study properties under confinement effects. In this research work, molecular simulation techniques are used to investigate nanoscale properties for peptide nanotubes formed by cyclic-[-(D-Ala-Gln-D-Ala-Glu)2-] units and peptide nanotubes formed by phenylalanine dipeptides. In order to understand transport properties in cyclic peptide nanotubes, the influence in diameter was studied and self-diffusion coefficient, dipole correlation functions and hydrogen bond probabilities were calculated via molecular dynamics and statistical mechanics. Enhanced transport and higher diffusion rates for water were obtained in cyclic peptide nanotubes (CPNTs) compared with commonly used biomedical channels like carbon nanotubes (CNTs). The greater transport efficiency in CPNTs is attributed to the hydrophilic character and high hydrogen bonding presence along their tubular structure, versus the hydrophobic core of CNTs1. This implies new possible transport applications for CPNTs in areas of biotechnology and biomedicine. To address the thermo-mechanical stability problem, a homogeneous deformation method combined with the generalized elasticity theory and molecular dynamics simulations (MD) were used for the calculation of second order anisotropic elastic constants. The results for anisotropic elastic constants, yield behavior and engineering Young’s modulus show remarkable mechanical stability for these materials2 supporting experiments for the development of their applications. Furthermore, the heat capacity, thermal expansion coefficient and isothermal compressibility were predicted using numerical differential methods and molecular dynamics. Finally, with the aim of investigating the application of cyclic peptide nanotubes as potential candidates for artificial ion channels in antibacterial applications, the ion mobility, selectivity and favorable transport conditions of Na+ and K+ ions are studied via molecular dynamics and continuum Poisson Nernst Plank (PNP) theory. Findings from this work open new opportunities for research in the area of peptide based materials and provide tools and methods to study these systems efficiently at nanoscale. 1 Carvajal-Diaz, J. A., Liu, L. & Çağin, T. Structure and Dynamics of Water Within Single Wall Carbon

Nanotubes and Self-Assembled Cyclic Peptide Nanotubes. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 6, 894-902 (2009).

2 Carvajal Diaz, J. A. & Çağin, T. Thermo-mechanical stability and strength of peptide nanostructures from molecular dynamics: self-assembled cyclic peptide nanotubes. Nanotechnology 21, 115703 (2010).

265

EFECTOS DE LA ADICIÓN DE HIDRÓGENO EN EL RENDI-MIENTO Y OPERACIÓN DE UN MOTOR DUAL DIESEL CON

MEZCLAS DE BIOGÁS E HIDROGENO. Biocombustibles en motores

Juan Pablo Gómez Montoya1, Karen Cacua Madero1, Layrisser Galeano1,

Andrés Amell Arrieta1.

1Universidad de Antioquia, Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía. Calle 67 N° 53 – 108. Medellín – Colombia. e-mail:anamell@udea.edu.co

Introducción Un motor diesel en modo dual funciona introduciendo el combustible gaseoso jun-to con el aire en la admisión y una porción de diesel actúa como piloto para la igni-ción. El biogás es un combustible de bajo poder calorífico usado en motores duales para la producción de energía eléctrica y calor en industrias, agroindustria y relle-nos sanitarios con disponibilidad en rellenos sanitarios y donde existan otras fuen-tes de materia prima de origen orgánico para su descomposición anaeróbica. El funcionamiento de motores diesel con este tipo de combustible lleva disminuciones en su eficiencia efectiva y emisiones de hidrocarburo sin quemar especialmente a carga parcial [1-4]. En este proyecto se encontró, que el motor diesel funcionando en modo dual con adición de hidrógeno al biogás, se incrementan los picos de presión y mejoras en la eficiencia efectiva debido a la mayor reactividad de la mezcla y mayor velocidad de deflagración [5-7]. Materiales y Métodos Se uso un motor diesel estacionario acoplado a un generador eléctrico. La carga al motor fue simulada mediante un banco de resistencias eléctricas variables. Para la medición de flujos gaseosos se utilizaron rotámetros en cada una de las líneas de admisión y para el aire se utilizó una placa orificio. Las emisiones se midieron con un analizador de gases de sensor infrarrojo y un paramagnético para el O2. Se instaló un transductor piezoeléctrico en uno de los cilindros para captar la pre-sión en la cámara de combustión y un transductor piezorresistivo para medir la presión del aire en la admisión. Se utilizó un codificador angular para relacionar la señal de presión y el ángulo de giro del cigüeñal. Inicialmente se caracterizó el motor en modo diesel. Luego se introdujo biogás, para su funcionamiento en mo-do dual encontrando el máximo porcentaje de sustitución de diesel y finalmente en modo dual desde el punto de máxima sustitución, se adicionó hidrógeno en cuatro niveles. Para el máximo porcentaje de sustitución se utilizó el criterio de estabili-dad, consiste en monitorear la curva presión vs ángulo de giro del cigüeñal con el fin de detectar ciclos de funcionamiento erráticos y presencia de knocking.

266

Resultados y discusión La figura 1 muestra el comportamiento de la presión en cilindro para funciona-miento a plena carga, para varias composiciones de biogás e hidrógeno (H2). La presencia del H2 hace que el combustible sea más reactivo, tenga una mayor velo-cidad de deflagración y con ampliación del intervalo de inflamabilidad, además aumenta la estabilidad de la combustión lo que permite aumentar el nivel de susti-tución, entonces, la mezcla inicia antes la combustión, con mayor velocidad de quemado y con menos pérdidas de calor hacia las paredes, todo esto lleva a que el pico de presión sea mayor también. A medida que la presión aumenta, la tempera-tura, tasa de liberación de calor y la eficiencia efectiva aumentan también. La Figu-ra 2 muestra el comportamiento de la eficiencia térmica en función de la carga para los diferentes niveles de enriquecimiento con H2. En general un aumento en la eficiencia térmica tiene lugar por el enriquecimiento del biogás con H2 debido a los efectos anteriormente descritos.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-120-105 -90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 105 120

Presió

n cilin

dro (b

ar)

Angulo de giro del cigueñal

8,5kW 0%H2

8,5kW 5%H2

8,5kW 10%H2

8,5kW 15%H2

8,5kW 20%H2

Figura 1. Variación de la presión en el cilindro a plena carga con diferente % de H2 en el biogás

10

15

20

25

30

35

40 60 80 100

Efici

encia

term

ica [%

]

Carga del motor en %

0 5 10 15 20H2[%]

Figura 2.Eficiencia térmica vs carga del motor con enriquecimiento del biogás con hidrogeno.

Conclusiones - El hidrogeno aumenta el nivel de sustitución desde 66% hasta 89% a plena carga. - La adición de hidrogeno afecta positivamente la eficiencia efectiva y disminuye el CO en un 30%, cuando se enriquece con un 20% de hidrogeno a plena carga. - Los picos de presión aumentan a medida que se incrementa el nivel de hidrogeno en el combustible, además el inicio del incremento de presión se da más pronto.

267

Agradecimientos Los autores agradecen a la Dirección de Posgrado de la Facultad de Ingeniería por la fi-nanciación al estudiante instructor Juan P. Gómez, esto permitió la realización del trabajo. Referencias 1.Duc, P.M. and K. Wattanavichien, Study on biogas premixed charge diesel dual fuelled engine. Energy Conversion and Management, 2007. 48(8): p. 2286-2308. 2.Balasubramanian, V. and K. Sridhara, Performance Evaluation of a Small Agricultural Engine Operated on Dual Fuel (Diesel + Natural Gas) System, in SAE International Technical Papers. 2009. 3.Bedoya, I.D., A.A. Amell, and F.J. Cadavid, Effects of mixing system and pilot fuel quality on diesel-biogas dual fuel engine performance. Bioresource Technology, 2009. 100(24): p. 6624-6629. 4.Karim, G.A. and Z. Liu, A Predictive Model for Knock in Dual Fuel Engines, in SAE International Technical Papers. 2009. 5.Lata, D.B. and A. Misra, Investigation on the performance of dual fuel diesel engine with hydrogen and LPG as secondary fuels. International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(21): p. 11918.

268

COMPARACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DIE-SEL EN MODO DUAL Y CONVERTIDO A MODO ENCENDIDO

PROVOCADO (MEP) USANDO BIOGÁS. Biocombustibles en motores

Juan Pablo Gómez Montoya1, Andrés Amell Arrieta1.

1Universidad de Antioquia, Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía.

Calle 67 N° 53 – 108. Medellín – Colombia. e-mail: anamell@udea.edu.co Introducción En la admisión de un motor diesel en modo dual, el combustible gaseoso entra con el aire y el diesel es el piloto para la ignición. En un motor diesel adaptado a MEP se admite una mezcla de aire y combustible gaseoso, se incluye una bobina de igni-ción, distribuidor, bujías, sincronización para modificar el avance de la chispa. Usualmente se reduce la relación de compresión (RC) para evitar el knocking, en esta investigación no se modificó la RC de 15,5:1 del motor, con el fin de garanti-zar eficiencias térmicas altas, basados en que la presencia del dióxido de carbono (CO2) del biogás actúa como atenuador del knocking[1-4]. Los motores para biogás tienen poca disponibilidad comercial para potencias bajas, lo que hace difícil el aprovechamiento del biogás a pequeña escala. El biogás es un combustible de bajo poder calorífico usado para la producción de energía eléctrica y calor en agroindus-tria y rellenos sanitarios con disponibilidad de materia orgánica[4]. Motores en MEP, usando metano pueden funcionar a mayores RC, teniendo mayores eficienci-as pero producen menos potencia que los motores con combustible líquido[5]. Esta investigación usó un motor diesel de 20kW adaptado a MEP, se tuvo una baja del 17,64 % de potencia efectiva, la eficiencia efectiva se incrementó en un 14,28%. Se eliminó la dependencia del diesel piloto para el uso del biogás. Se logró una opera-ción con combustión estable y sin knocking. Materiales y Métodos Se uso un motor diesel estacionario acoplado a un generador eléctrico. La carga al motor fue simulada. La medición de flujos gaseosos se hizo con rotámetros, el aire se midió con placa orificio y las emisiones con un analizador de gases. Se instaló un transductor piezoeléctrico en un cilindro para captar la presión y se utilizó un codificador angular para relacionar el ángulo del cigüeñal. Se caracterizó el motor en modo dual diesel mas biogás con composición (60% Metano y 40% CO2) con 66% de sustitución de diesel. Luego con el motor en MEP se evaluó con biogás. Finalmente se evaluó el motor en MEP con (70% Metano y 30% CO2), lo que equivale a un biogás purificado o enriquecido con 25% de gas natural. En todas las condiciones de operación se utilizó el criterio de estabilidad, que consiste en moni-torear la curva presión con el fin de detectar ciclos erráticos y knocking.

269

Resultados y discusión La figura 1 muestra la variación de la presión del motor en modo dual 34% diesel mas 66% biogás y en MEP con 100% biogás con dos composiciones. La presión más alta se da en modo dual donde hay presencia de combustible diesel, de alto poder calorífico. En MEP cuando se aumenta el porcentaje de metano en el biogás se aumenta la presión, esto llevará a una temperatura más alta con menores pedidas de calor hacia las paredes, ya que al reducir el CO2 en el biogás se tendrá un com-bustible con mayor poder calorífico y con mayor velocidad de deflagración lami-nar. El CO2 presente en el biogás permite el correcto funcionamiento del motor sin presencia de knocking. La figura 2 muestra la variación de la eficiencia efectiva, la tendencia es que a plena carga la eficiencia es mayor para todos los modos de ope-ración, esto se debe a que las pérdidas de calor son menores por operar a mayores presiones y temperaturas. La figura 2 muestra que en MEP se logran mayores valo-res de eficiencia efectiva comparada con el modo dual, para operación a plena car-ga se aumentó la eficiencia en 14,28% con biogás con 70% metano, esto se logra debido a que se conserva la alta RC para el funcionamiento en modo MEP.

C Figura 1. Curvas de presión para la operación del motor en modo dual y en MEP

C Figura 2. Curva de eficiencia térmica la operación del motor en modo dual y en MEP

270

Conclusiones Se elimina el uso diesel para el aprovechamiento del biogás en un motor MEP. Se disminuye 17,64 % de potencia efectiva del motor, pero se incrementa la eficiencia efectiva en14,28%. El CO2 presente en el biogás atenúa la posibilidad del knoc-king, aunque la disminución este en el biogás mejora la eficiencia térmica Agradecimientos Los autores agradecen a la Dirección de Posgrado de la Facultad de Ingeniería por la financiación al estudiante instructor Juan P. Gómez, esto permitió la realización del trabajo. Referencias 1.T.Korakianitis, A.M.N., Natural-gas fueled spark-ignition (SI) and compression-ignition (CI) en-gine performance and emissions. . Progressing Energy and Combustion Science,. , 2010. 1: p. 1-24. 2.Combustion Gasification Propulsion Laboratory, Final Report on Strategic Development of Bio-Energy (SDB) Project. 2006, Indian Institute of Science: Bangalore. p. 85-115, 186-193. 3.C. Sopena, D. Sainz, Conversion of a commercial SI engine to run on hydrogen: Performance com-parison using hydrogen and gasoline. International journal of hydrogen energy 35 (2010) p420. 4. E. Porpatham, A.R., B. Nagalingam, Investigation on the effect of concentration of methane in biogas when used as a fuel for a spark ignition engine. Fuel, 2008. 87 p. 1651-1659. 5.Witze P.O. Effect of Spark Location on Combustion in a Swirl Engine”, SAE 820044, pp. 165-175

271

INVESTIGATION OF Jatropha curcas AS FUEL FOR COMPRES-SION IGNITION ENGINES

(Biocombustibles en Motores y Corrosión)

Helmer Acevedo1 y Elkin Florez2

1. Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá, Grupo de Investigación en Combustibles Alter-nativos, Energía y Protección del Medio Ambiente, Carrera 30 No 45-03, Edificio 453 Oficina 401

(Bogotá D.C. – Colombia), email: hracevedog@unal.edu.co 2. Universidad de Pamplona, Programa de Ingeniería Mecánica, Pamplona-Colombia, email: eflo-

rez@unipamplona.edu.co Biodiesels are promoted as alternative fuels due their potential to reduce dependen-cy on fossil fuels and carbon emissions. Research has been addressed in order to study the emissions of light duty vehicles. However, the particle matter and gase-ous emissions emitted from heavy-duty diesel engines fueled with jatropha curcas biodiesel (JCB) and premium diesel (PD) fuel have seldom been addressed. The objective of this study was to explore the performance and emission levels of a Cummins 4-stroke, 9.5 liter, 6-cylinder diesel engine with common rail fuel injec-tion, and a cooled exhaust gas recirculation (EGR). Experiments were carried out at Brake Mean Effective Pressure (BMEP) constant over a range of speeds (1400, 1900 and 2400 rpm) and loads (0, 10, 25, 50, 75, and 100 %). Gaseousus emissions were taken using a Horiba gas analyzer. A Horiba micro soot sensor (photo acous-tic soot sensor,PASS) was used to measure soot concentration in diluted exhaust from the Cummins diesel engine. Brake Specific Fuel Consumption (BSFC) was higher for JCB compared to DP. In order to maintain the same brake power output, the BSFC of jatropha-biodiesel blends would be increased to compensate the re-duced chemical energy in the fuel. Substantial reduction of unburned hydrocarbons (- 45%), carbon monoxide (- 75%), and particulate matter (- 25%) compared to emission from diesel fuel. At mid and high loads, NOx emissions were higher for JCB compared to PD. Most of the particles (64%) for PD are in the range between 40 and 560 nm. On the other hand, most of the particles (94%) for JCB mode are between 6 and 40 nm. In the range between 6 and 40 nm, mass mean diameters in PD were 34.4, 34.7 and 33.3 nm and in POB were 21.3, 18.2, and 20.1 nm for 100, 50 and 10% load, and respectively. Key words: Particle Size Distribution, Jatropha Curcas Biodiesel, Particle Matter

.

272

EVALUACIÓN DE UN MOTOR DIESEL MONO-CILÍNDRICO CON MEZCLAS DE BIODIESEL B5, B10, B20 Y B30

R. Lugo-Leyte, A. Torres-Aldaco, H.D. Lugo-Méndez, R.E. Sanvicente-Silva,

F. Salazar-Franco

Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa, Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráu-lica. Av. San Rafael Atlixco, 186, Col. Vicentina, 09340, Iztapalapa, México, D.F., México.

lulr@xanum.uam.mx. Resumen: Se estudia el efecto del biodiesel sobre la potencia generada, el consumo específico de combustible y la eficiencia térmica del motor, la comparación es con base al comportamiento del motor, utilizando diesel como combustible de referen-cia. Se utilizan mezclas de diesel y biodiesel, B5, B10, B20 y B30. El incremento en el consumo de combustible es aproximadamente proporcional a la disminución del poder calorífico. Se muestra el comportamiento de la potencia en función del flujo de combustible para una mezcla B5. Introducción La búsqueda de fuentes de energía renovables ha desencadenado un interés creci-ente en los biocombustibles, con la finalidad de ampliar la matriz energética, y también por las regulaciones cada vez más estrictas de la calidad de los combusti-bles, número de cetano, contenido de azufre, gases contaminantes y material parti-culado, entre otros. Durante los ensayos, se utilizan diferentes combustibles, biodiesel de origen de aceites residuales, diesel PEMEX y la mezcla de éstos. Las fuentes alternativas de energía que pueden reemplazar, al menos en forma par-cial a los combustibles fósiles para vehículos automotores, ligeros y pesados, ha sido un tema de la investigación durante varias décadas; sin embargo, existe un interés renovado debido a varios motivos, entre ellos, reducir emisiones contami-nantes y de efecto invernadero del motores de combustión interna. Sustituir a los combustibles derivados del petróleo por cualquier tipo de biocom-bustible es una tarea imposible en esta primera etapa, debido a la escasa disponibi-lidad de estos combustibles. Sin embargo, la mezcla de biocombustibles disponi-bles con el combustible diesel es una de las opciones más viables [1]. Tan importante es esta situación, que una gran cantidad de trabajo ha sido realizado por diversos investigadores para evaluar el rendimiento de los motores diesel con mezclas de diferentes concentraciones [2], además es una opción para reducir los contaminantes generados por la combustión de los motores diesel. Las propiedades de los biocombustibles pueden variar en gran medida a la fuente de la que se deriva. Debido a estas variaciones, las emisiones de las mezclas con biodiesel pueden variar en gran medida [4]. Esto puede resultar en cambios en el

273

rendimiento, en los niveles de emisión de partículas y los niveles de ruido del mo-tor. Materiales y Métodos Se utiliza un motor diesel mono cilíndrico de cuatro tiempos, enfriado por aire; la velocidad máxima de operación es de 2400 rpm y genera una potencia de 1.5 kW, el motor diesel tiene una relación de compresión de 19 y el volumen barrido por el cilindro es 0.28 litros correspondiendo a un diámetro de 73 mm y una carrera de 67 mm. Para medir el par y la potencia se emplea un dinamómetro marca TQ PLINT Merlin Master 2000. Se usó la siguiente denominación para los combustibles utilizados en esta primera etapa del trabajo: Bio-diesel de origen de aceites residuales, combustible diesel PEMEX, las mezclas fueron B5, B10, B20, y B30 de biodiesel y diesel PEMEX. Resultados La potencia de salida se regula únicamente por el suministro de combustible. Por consiguiente se puede graficar el flujo de combustible contra la potencia de salida del motor. Ésta proporciona una buena estimación de la eficiencia mecánica del motor. En este resumen sólo de presenta el comportamiento del motor para una mezcla B5.

Figura 1. Potencia en función del flujo de combustible.

Conclusiones La potencia del motor disminuye al utilizar biodiesel, esto se debe básicamente al poder calorífico de los combustibles mencionados, ya que el motor tiene que con-sumir mayor cantidad de combustible para una solicitación dada.

274

Agradecimientos: Se agradece al ICYTDF por apoyar el desarrollo del proyecto PICSO11-49, Impacto del biodiesel obtenido a partir de aceites vegetales residuales y de mezclas enriquecidas en las emisiones y desempeño de los motores diesel y equipos de calentamiento para una susten-table ciudad de México.

Referencias [1]. KRAHL, Jûrguen; et. al. Comparison of biodiesel with different diesel fuels regarding exhaust gas emissions and health effects. The German Working Group for Biodiesel Quality Management, Berlin, Germany. 2004. [2]. Advanced Petroleum-Based and Alternative Fuels. US. Department of Energy. October 1999. [3] Environmental Protection Agency (EPA). A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions, U.S. EPA Draft Technical Report – EPA 420-P-2-001, October 2002. [4] Md. Nurun Nabi, Mhia Md. Zaglul Shahadat, Md. Shamimur Rahman and Mohd. Rafiqul Alam Beg. Behavior of Diesel Combustion and Exhaust Emission with Neat Diesel Fuel and Diesel-Biodiesel Blends. SAE 2004-01-3034.

275

ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD OXIDATIVA DEL BIODIÉSEL COLOMBIANO EXPUESTO A MATERIALES METÁLICOS Y PO-

LIMÉRICOS EN ENSAYOS DE LARGA DURACIÓN (Biocombustibles en motores y corrosión)

Ernesto Camilo Zuleta Suárez1, Luis Alberto Rios1*, Libia Baena2 y Jorge Cal-

derón2**

1. Universidad de Antioquia, Grupo Procesos Fisicoquímicos Aplicados, Sede de Investiga-ción Universitaria, Laboratorio 329, *email: lariospfa@gmail.com

2. Universidad de Antioquia, Grupo de Corrosión y Protección, Sede de Investigación Universitaria, Laboratorio 330, ** email: jcaldergut@gmail.com

Introducción A medida que un biodiésel se oxida, se originan una serie de cambios en sus

propiedades. El índice de acidez, el índice de peróxido y la viscosidad aumentan, mientras que el índice de yodo y el contenido de metilésteres disminuye a. La ex-posición del biodiésel a algunos materiales, principalmente metálicos, puede propi-ciar un deterioro acelerado del combustible b. En este resumen se presentan los resultados de un trabajo experimental de larga duración en el que se busca determi-nar cuales materiales, de los que se encuentran cotidianamente en contacto con biodiesel en sistemas de transporte y almacenamiento del combustible, son los de mayor incidencia en el deterioro del combustible.

Materiales y Métodos Se adquirió biodiesel de palma de una empresa productora nacional, y se le rea-

lizaron pruebas de índice de acidez, índice de peróxido, porcentaje de metiléster (Cromatografía), humedad y tiempo de inducción (método Rancimat ®), según las normas nacionales e internacionales que regulan estos parámetros. Se adquirieron probetas de materiales metálicos metálicos (acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, cobre y estaño) y poliméricos (poliamida 6, poliamida 6 con flúor, polie-tileno y polioximetileno) los cuales se encuentran comúnmente en autopartes.

Se expuso el biodiesel de palma a oxidación en presencia de los materiales y al oxigeno del aire. Cada prueba se realizó por duplicado. La evaluación de la oxida-ción del biocombustible se realizó por 360 días, tomándose muestras periódicas del biocombustible a las que se le realizó índice de acidez, peróxido y tiempo de in-ducción. A las muestras de materiales poliméricos expuestos al biodiesel, se les realizaron pruebas calorimétricas mediante calorimetría de barrido diferencial (DSC) y análisis termogravimétrico (TGA). A las muestras de materiales metálicos expuestos al biodiesel, se les realizaron pruebas de microscopía electrónica de ba-rrido (SEM), análisis de espectroscopia de energía dispersiva de rayos x (EDS) y espectroscopia Raman, para caracterizar los productos de corrosión que se forma-ron en ellos durante la inmersión en biodiésel.

276

Resultados y discusión Al final de los 360 días de prueba, el biodiésel expuesto a cobre mostro un

tiempo de inducción de 0.03 horas, muy por debajo de los valores mínimos reque-ridos por los estándares internacionales. El decaimiento a un valor de 5 horas se observó a los 25 días de exposición. Distintamente, el biodiésel expuesto a los de-más materiales obtuvo un tiempo de inducción de 11 horas en promedio pasados los 365 días (Figura 1). Las pruebas de SEM, EDS y espectroscopia Raman, mos-traron la formación de óxido de cobre en la superficie de las muestras de cobre. Los demás metales no presentaron formación de óxidos en sus superficies. Las pruebas de DSC y TGA de los polímeros, mostraron que estos no presentan cambios signi-ficativos en su cristalinidad.

Al finalizar el tiempo de evaluación, se midió el contenido de metilésteres en las muestras de biodiésel expuestos a cada uno de los materiales. Solo el biodiésel expuesto a cobre presento una reducción significativa en el contenido de metiléste-res, principalmente metilésteres insaturados.

Figura 1. Variación de la estabilidad oxidativa de las muestras de biodiésel expuesto a los diferentes

materiales. Conclusiones A temperatura ambiente (25 °C), solo el factor tipo de metal, presenta una ac-

ción importante sobre la oxidación del biodiésel bajo las condiciones de estudio. A excepción del cobre, los materiales metálicos y poliméricos evaluados, no afectan los parámetros de calidad en las condiciones evaluadas. Las muestras de biodiésel expuestas a los diferentes materiales, sufren el mismo grado de oxidación que las muestras de biodiésel que no tienen contacto con el aire y a ningún material.

Agradecimientos A Colciencias por la financiación del proyecto titulado “La corrosividad del

biodiésel y su incidencia en el desempeño de auto partes - estudio de métodos de prevención y control”.

Referencias a. Knothe, G., Some aspects of biodiesel oxidative stability. Fuel Processing Technology, 2007. 88(7): p. 669-677. b. Haseeb, A., et al., Corrosion characteristics of copper and leaded bronze in palm biodiesel. Fuel Processing Technology,

2010. 91(3): p. 329-334.

277

EVALUACION DEL IMPACTO EN LAS PROPIEDADES DE PO-LIMEROS EN BIODIESEL DE PALMA PURO Y MEZCLADO CON

ÁCIDOS GRASOS Biocombustibles en motores y corrosión

Libia Baena1, Ernesto Zuleta2 y Jorge Calderón1*

1. Universidad de Antioquia, Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo de Materiales-

CIDEMAT, Sede de Investigación Universitaria, Laboratorio 330, *email:libiaudea@gmail.com

2. Universidad de Antioquia, Grupo Procesos Fisicoquímicos Aplicados, Sede de Investiga-ción Universitaria, Laboratorio 329.

1. Introducción

El biodiesel es un combustible alternativo limpio que se produce con recursos re-novables de uso corriente, como los aceites vegetales, grasas animales o aceites de cocina usados. Es generalmente realizado con aceite de jatropha, palma, girasol o con grasas recicladas de restaurantes y se puede mezclar con diésel derivado del petróleo en diferentes proporciones a. Un factor que contribuye al deterioro de materiales y del biodiesel es la presencia de ácidos grasos como el palmítico, oleico y linoleico los cuales se encuentran en la materia prima del biodiesel de palma como ácidos libres b. Por tanto se procedió a realizar mezclas de biodiesel de palma con algunos ácidos grasos encontrados en este biodiesel en mayor proporción. En esta investigación se evaluó el impacto en las propiedades de algunos materiales poliméricos usados en la fabricación de autopartes como son la PA 6/6 (Canister), el POM (Polioximetileno); (Carcasa de la bomba de gasolina) y el PE-HD fluor (Tanque de gasolina), inmersos en biodiesel puro (B100) y mezclas de Biodiesel con 0.32% de ácido oleico, acético, mirístico, esteárico y palmítico.

2. Materiales y Métodos.

2.1. Pérdida/ Ganancia de masa Para entender los efectos de las diferentes mezclas de combustible en relación con el tiempo se analiza la pérdida o ganancia de masa como resultado de la degradaci-ón de un polímero. Este ensayo consiste en la inmersión total de las probetas poli-méricas dentro de un reactor que contiene los combustibles de ensayo. Los reacto-res fueron colocados al baño de maría, el cual se mantuvo a una temperatura con-trolada de 55 ± 2 ºC durante 19 semanas. Los datos recogidos a partir de las di-mensiones y pesos originales se utilizaran junto con los datos recogidos a partir de los pesos y dimensiones de las muestras expuestas durante la prueba para calcular el porcentaje en masa perdida o adquirida.

278

2.2. Ensayo de dureza. Los resultados de las pruebas de dureza Shore D de los polímeros inmersos en los medios de prueba se compararon con los resultados de muestras que nunca fueron expuestas al combustible. En este ensayo se siguieron los procedimientos descritos en la norma NTC 467.

2.3. Caracterización de las autopartes poliméricas expuestas en los medios de ensayo.

En este trabajo se realizó un estudio comparativo, estructural (FTIR), calorimétrico (DSC) y (TGA), de los materiales poliméricos antes y después de la inmersión en los combustibles de prueba.

3. Resultados y conclusiones. En la Figura 1, se presenta la variación de peso aparente de las probetas poliméri-cas evaluadas en el tiempo en las diferentes mezclas de combustible. El PEHD no presentó diferencias significativas en las mezclas con acido mirístico. Mientras que las muestras expuestas a la mezcla con los ácidos esteárico, oleico, palmítico y acético presentaron aumentos en masa de aproximadamente el 0.05% hasta las 12 semanas de exposición. Este pequeño aumento de peso es posiblemente asociado a la absorción de compuestos polares presentes en el biodiesel debido a la naturaleza polar de este material. El POM presentó pequeños aumentos en masa de hasta un 0.0032% en la mezcla con ácido acético hasta el final del ensayo. En la PA66 se observaron pequeñas disminuciones en masa en todos los medios de prueba presen-tando una mayor disminución en la mezcla con ácido oleico, posiblemente asocia-do a la pérdida de aditivos y plastificantes debido a la acción del medio. En la Fi-gura 2 se presentan los valores de dureza de los polímeros evaluados antes y des-pués de la exposición en Biodiesel puro y mezclado con ácidos grasos. Como pue-de observarse, la dureza de las muestras de PEHD y PA66 inmersas en B100 dis-minuyó con respecto al valor de la dureza de las muestras antes de la inmersión en un 10% aproximadamente. La disminución en dureza se presenta posiblemente por la absorción de B100. El biodiesel absorbido pudo actuar como plastificante en estos materiales con la consecuente reducción de la dureza. Por otro lado las mues-tras de POM inmersas en B100 presentaron aumentos en los valores de dureza. Los espectros de FTIR no mostraron cambios estructurales siginificativos. Los TGA para las muestras de PEHD inmersas en B100 mostraron una pequeña pérdida de peso del 5.3% correspondiente al biodiesel absorbido. Sin embargo los demás en-sayos de TGA para los polímeros evaluados no muestran cambios importantes en las temperaturas de degradación.

279

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

PEHD Acetico Palmitico Estearico Miristico Oleico

Weeks / (Time)

App

aren

t wei

ght (

%)

0 2 4 6 8 10 12 14-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,01

0,02PA66

Acetico Oleico Palmitico Miristico Estearico

Weeks / (Time)

App

aren

t wei

ght (

%)

0 2 4 6 8 10 12 14

-0,002

0,000

0,002

0,004

0,006 POM Oleico Miristico Palmitico Estearico Acetico

Weeks / (Time)

Appa

rent

wei

ght (

%)

Figura 1. Variación del peso aparente de las probetas poliméricas evaluadas en las diferentes mez-

clas de combustible durante la inmersión a 55 ºC. (A): PEHD. (B): PA66. (C). POM

0 4 8 12 16 20

52

56

60

64

68

72

76

80PEHD

Palmitico Oleico Miristico Estearico Acetico

Dur

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Semanas/(Tiempo)

0 4 8 12 16 2052

56

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68

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80 POM Palmitico Oleico Miristico Estearico Acetico

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0 4 8 12 16 20

60

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80PA66

Palmitico Oleico Miristico Estearico Acetico

Dur

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-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16

52

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80B100

PEHD POM PA66

Dur

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Shor

e D

Semanas/(Tiempo)

Figura 2. Variación de la dureza de los polímeros evaluados en las diferentes mezclas de combusti-ble durante la inmersión a 55 ºC

(A) (B)

(C)

280

Referencias a J.I. Guerrero, D.F. Rodríguez, and L.M. Serratto, Producción de Biodiesel a partir de Aceite de

Palma Crudo, Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Valle. b M. Fazal, A. Haseeb, and H. Masjuki, Comparative corrosive characteristics of petroleum diesel and

palm biodiesel for automotive materials. Fuel Processing Technology (2010). Modalidad: Presentación oral

281

MODELADO DE LA COMBUSTIÓN EN MOTORES DIESEL: REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE

(Área temática: Biocombustibles en motores)

G. García1, A. Chaves2 y J. Chacón3

1. Universidad Industrial de Santander, Grupo de Investigación en Energía y Medio Ambiente -GIEMA, carrera 27 con calle 9, gabriel.garcia@correo.uis.edu.co

2. Universidad Industrial de Santander, Grupo de Investigación en Energía y Medio Ambiente -GIEMA, carrera 27 con calle 9, achavesg@uis.edu.co

3. Universidad Industrial de Santander, Grupo de Investigación en Energía y Medio Ambiente -GIEMA, carrera 27 con calle 9, jchacon@uis.edu.co

Introducción

Los motores de combustión interna, particularmente los motores Diesel, son am-pliamente utilizados como fuerza motriz en aplicaciones industriales. Sin embargo, pese a que se han visto grandes avances en lo que respecta a la reducción de emi-siones desde los años 80, ellos siguen siendo los responsables de la mayor parte de la contaminación en los principales centros urbanos, incrementando así los pro-blemas de salud de la población y el efecto invernadero. Debido de esta necesidad de reducir las emisiones de contaminantes y mejorar las prestaciones de los motores Diesel, el estudio del proceso de combustión ha sido, durante años un tema de gran interés. Los estudios experimentales presentan la desventaja de consumir grandes recursos económicos y tiempo en su realización, razón por la cual se utilizan modelos computacionales que permiten estudiar el proceso de combustión de una forma más económica y práctica. En este trabajo se presenta la revisión del estado del arte del modelado de la com-bustión en motores Diesel, haciendo especial énfasis en los modelos que buscan predecir los parámetros de desempeño del motor al ser alimentado con nuevos bio-combustibles. También se presenta un modelo que se está desarrollando en el gru-po GIEMA, con el cual se busca estudiar el rendimiento de un motor al utilizar un biocombustible desarrollado en la Universidad.

Materiales y Métodos La metodología seguida consistió en la revisión y clasificación de los modelos de la combustión desarrollados a nivel nacional e internacional, y posteriormente la selección de los modelos guía para el trabajo a desarrollar. El modelo que se está desarrollando está basado en la primera ley de la termodiná-mica, ver ecuación [1].

[1]

282

Dicho modelo además utiliza sub-modelos para la tasa de liberación de calor, la transferencia de calor a las paredes, propiedades del gas en la cámara y el retardo en la ignición.

Resultados y discusión Los modelos de combustión Diesel se pueden clasificar en tres grandes grupos: modelos multidimensionales, modelos cuasi-dimensionales y modelos cero-dimensionales. Los modelos multidimensionales tienen el potencial para describir los fenómenos ocurridos durante la combustión y tienen en cuenta la distribución espacial del proceso, pero presentan la desventaja de ser sensibles a los sub-modelos utilizados, algunos de los cuales no están bien definidos, y de consumir mayor tiempo en la simulación del proceso. Los modelos cero-dimensionales son los más sencillos, y por ende los de menor consumo de tiempo computacional, sin embargo son incapaces de calcular las emisiones de contaminantes en el motor. Por su parte los modelos cuasi-dimensionales, que se presentan como un punto inter-medio entre los dos tipos anteriores, permiten calcular los parámetros de desempe-ño del motor de un modo mucho más sencillo que con un modelo multidimensional y, a diferencia de los modelos cero-dimensionales, tiene el potencial para calcular las emisiones del motor. Sin embargo, presentan como inconveniente la necesidad de ajustar algunos de sus coeficientes con resultados experimentales en cada situa-ción, debido al gran número de simplificaciones que requieren. En el grupo GIEMA se está desarrollando un modelo desde un enfoque cero-dimensional, ya que se busca predecir el rendimiento del motor sin entrar a una descripción detallada del proceso. Así se obtendrá un modelo que permita conocer el desempeño del motor al ser alimentado por un biocombustible de la manera más sencilla y práctica posible.

Agradecimientos

Los Autores expresan sus agradecimientos a la Vicerrectoría de Investigación y extensión de la Uni-versidad Industrial de Santander por la financiación del presente proyecto.

Referencias

[1] A. S. Ramadhas, S. Jayaraj, y C. Muraleedharan, «Theoretical modeling and experimental studies on biodiesel-fueled engine», Renewable Energy, vol. 31, no. 11, págs. 1813-1826, Sep. 2006.

[2] D. Jagadish, R. Puli, y K. Murthy, «Zero dimensional simulation of Combustion Process of a DI Diesel engine fuelled with Biofuels», Engineering and Technology, vol. 80, págs. 819 - 825, 2011.

[3] C. Fenollosa, Modelado fenomenológico del proceso de combustión por difusión diesel. Reverte, 2005

284

BIOMASA FORESTAL PLANTADA O RESIDUAL PARA GENE-RACIÓN DE ENERGÍA: UN ANÁLISIS TÉCNICO - ECONÓMICO

(Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis)

Yuhan A. Lenis a, Sandra Rojas b, Juan F. Pérez a,*

a Grupo de manejo eficiente de la energía – Gimel, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108

Medellín - Colombia, e-mail: juanpb@udea.edu.co b Centro de investigación y desarrollo tecnológico del sector eléctrico (Cidet). Cra. 46 No. 56-11 Ed.

Tecnoparque. Medellín, Colombia

Introducción La generación de energía eléctrica a partir de biomasa se ha convertido en una al-ternativa para generación renovable con creciente participación en el mundo. En la India, por ejemplo, se estima que el potencial de generación a partir de biomasa es de 20 GWe, con la posibilidad de implementarse en zonas remotas [1]. El tamaño de la planta de generación está determinado por la potencia que se requiere generar, o por la cantidad de biomasa con que se disponible. Es posible que se requiera transportar el combustible de lugares lejanos incurriéndose en costos adicionales, grandes plantas en general involucran tecnologías más complejas y son más costo-sas [2, 3]. Por tanto, buscando una relación de compromiso entre el uso de la bio-masa, eficiencia y costos de generación, la materia prima se debe aprovechar in situ. Las tecnologías más desarrolladas para generación de potencia con biomasa son la gasificación y la combustión. La capacidad de generación de energía eléctrica promedio en Colombiana con biomasa es alrededor de 2000 kWe [4]. En este estudio se presenta el análisis de prefactibilidad de dos casos de generación de energía eléctrica a partir de biomasa (madera) según normatividad colombiana. El primero considera un cultivo energé-tico de Pino (caso 1: 28800 ton madera/año, PCIb.h,20%=14.9 MJ/kg); el segundo, biomasa residual de un núcleo forestal con Teca (caso 2: 15120 ton madera/año, PCIb.h,20%=15.5 MJ/kg). Materiales y métodos Mediante un análisis de alternativas de generación, costos de generación y aplicabi-lidad a proyectos de mecanismo de desarrollo limpio (MDL), se determina la viabi-lidad de implementar en el territorio colombiano plantas de generación de energía eléctrica a partir de biomasa. Este análisis constituye una base para futuros estudios en el país de cara a la implementación de programas de generación de biopotencia que contribuyan a la diversificación de la canasta energética. Para determinar el potencial energético, se requiere la producción y propiedades de las biomasas en cada caso, además de los rendimientos típicos de las plantas de generación de energía a partir de biomasa que puedan aplicar a los rangos de potencia de los

285

casos de estudio. Mediante un análisis técnico-económico se obtiene el costo de generación (USD/kWe-h) [5]. Resultados y discusión Considerando los valores de eficiencia de las plantas de gasificación como los más adecuados para estimar la potencia a generar, se tiene: Caso 1: 60% eficiencia del proceso gasificación y 27% eficiencia motor-generador, para 16% de eficiencia global. Caso 2: se considera 60% eficiencia del proceso gasificación, 24% eficien-cia motor-generador, con 14% de eficiencia global [4]. Por tanto, la potencia a generar en el caso 1 (cultivo energético), es alrededor de 2,2 MWe; para el caso 2 (biomasa residual), alrededor de 1,0 MWe. En este estudio se realiza el análisis de prefactibilidad considerando el costo capital y la eficiencia de la planta de generación, además del costo de la biomasa, con el fin de evaluar el efecto del tipo de biomasa (residual o cosechada) en el costo de generación. Se consideran 4 proveedores de plantas de generación, y un costo entre 0,0 y 80 USD tonelada de biomasa, ver Figura 1. Los menores costos de generaci-ón obtenidos con la planta de 2,2 MWe con respecto a las plantas de 1,0 MWe, se deben a efectos de economía de escala en proyectos de generación de energía. En la Figura 2, se muestra la contribución de los principales costos de funcionami-ento en el costo de generación. El análisis se presenta para el proveedor P4 en el caso de los 2,0 MWe, para 1,0 MWe la contribución es similar en porcentajes. El costo de adquisición de equipos contribuye de manera significativa, con cerca del 80% para 0,0 USD/ton biomasa, disminuyendo hasta el 25% para precios del com-bustible de 80 USD/ton.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

USD

/kW

e-h

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a)

0

0,1

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0,3

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0 10 20 30 40 50 60 70 80

USD

/kW

e-h

USD/ton bms

P3 P1 P2 P4

b) Figura 14 Costos de generación, a) caso 1,0 MWe, b) caso 2,2 MWe

286

0%

20%

40%

60%

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100%

0 10 20 30 40 50 60 70 80C

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Capital Mantenimeinto Mano de obra bms

Figura 15 Contribución de los principales costos en el costo de generación - P4 2,0MWe

Conclusiones 1) Los menores costos de generación, varían entre 0,061 y 0,165 USD/kWe-h para 1,0 MWe, y de 0,058 a 0,162 USD/kWe-h para 2,2 MWe, esta diferencia de pre-cios entre potencias se debe a efectos de economía de escala. 2) Los factores que afectan en mayor medida los costos de producción de energía (USD/kWe-h), para un costo de biomasa de 30 USD/ton, son: inversión inicial, mantenimiento de la planta, costo de la biomasa y mano de obra. El costo capital aporta el 80 y 25% al costo de producción cuando se considera 0,0 y 80 USD/ton de biomasa, respecti-vamente. 3) Los proyectos evaluados en este trabajo se consideran factibles conec-tados al SIN, si el costo del combustible es 0,0 USD/ton. Sino, solo sería viable implementarlos en zonas no interconectadas, ya que los costos de generación esti-mados para estas plantas de generación no serían competitivos en el mercado eléc-trico colombiano a la fecha. 4) Considerando los proyectos en el marco de Meca-nismo de Desarrollo Limpio (MDL), es posible obtener beneficios económicos entre 0,0032 y 0,0097 USD/kWe-h, dependiendo del valor de venta de los CERs. Agradecimientos: Los autores agradecen la financiación de este proyecto a las empresas: Compañía Colombiana de Inversiones S.A. E.S.P. y Cementos Argos S.A. Referencias [1] B. Buragohain, P. Mahanta, V.S. Moholkar, Biomass gasification for decentralized power genera-tion: The Indian perspective, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (2008) 73-92. [2] A.F. Kirkels, G.P.J. Verbong, Biomass gasification: Still promising? A 30-year global overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 471-481. [3] P. Quaak, H. Knoef, H. Stassen, Energy from Biomass: A review of Combustion and Gasification Technologies, World Bank Technical Paper No. 422. Energy Series, (1999) 79. [4] J. Pérez, Y. Lenis, S. Rojas, C. León, Decentralized power generation through biomass gasifica-tion: a technical - economic analysis and implications by reduction of CO2 emissions (in Spanish), Revista Facultad de Ingeniería, Aceptado (2012) 91-103. [5] J. Córdoba, J. Pérez, Asvattha "Software para el análisis técnico, energético y económico de pro-yectos de aprovechamiento energético de biomasa con aplicación a bonos de carbono", Universidad de Antioquia, Medellín, 2011.

287

EFECTO DEL FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO Y DEL AIRE ENRIQUECIDO EN EL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE BIO-

MASA LIGNOCELULÓSICA EN LECHO FIJO (Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis)

Yuhan A. Lenis, Andrés F. Agudelo, Juan F. Pérez*

aGrupo de manejo eficiente de la energía – Gimel, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108 Medellín - Colombia, e-mail: juanpb@udea.edu.co

Introducción El calentamiento global, la contaminación atmosférica, el carácter no renovable de los combustibles fósiles y la dependencia energética de los países desarrollados, han impulsado nuevamente el uso de biomasa lignocelulósica como energético en aplicaciones para generación de potencia [1]. Entre los procesos de conversión energética de la biomasa para tal fin, la gasificación en lecho fijo equicorriente es uno de los más considerados para aplicaciones donde se requiera generación a baja escala (<1000 kWe) en zonas de difícil acceso pero con disponibilidad sostenible de recursos biomásicos. El uso de esta tecnología se destaca debido a sus bajos costos y nivel de desarrollo en comparación con otros procesos [2, 3]. Pese a la relevancia de esta tecnología para las comunidades rurales colombianas no electrificadas, donde se tienen condiciones aptas para la aplicación de ésta, no se ha masificado su uso, debido principalmente a los altos costos de adquisición de las plantas de gasificación [2, 4]. Costos que pueden ser reducidos mediante el desarrollo a nivel local de estos equipos. Dicho desarrollo requiere entender com-pletamente la fenomenología del proceso evaluando su comportamiento ante la variación de los principales parámetros de operación. Considerando lo anterior, en este trabajo se presenta un estudio del desempeño del proceso de gasificación al variar: la concentración de oxígeno en el aire usado como agente gasificante (aire enriquecido) y el empaquetamiento de la biomasa al interior del lecho, con lo cual se buscan alternativas para mejorar la eficiencia del mismo. Materiales y métodos Se plantea un diseño estadístico experimental factorial 32, donde se consideran como factores la concentración de oxígeno en el aire y el factor de empaquetamien-to de la biomasa, cada uno con tres niveles. Los niveles de la concentración de oxígeno fueron 21, 24 y 29%vol, mantenido constante la masa de oxígeno que ingresa al proceso. Para los niveles del factor de empaquetamiento se consideraron 0.41, 0.56 y 0.66, utilizando la misma biomasa (CH1.769O0.617N0.026S0.001, PCIbs= 18212.9 kJ/kg) con tres geometrías comerciales diferentes (cubos, cilindros y asti-llas). Los experimentos se realizan en un reactor de lecho fijo equicorriente ope-rando en transitorio, completamente instrumentado para la medición de los paráme-tros característicos del proceso como lo son: el campo de temperatura, flujos de

288

gasificante, velocidad del frente de llama, dosado relativo del proceso, composici-ón y densidad energética del gas producido [5]. Estos últimos determinados medi-ante cromatografía de gases. Resultados y discusión Al mantener constante la masa de oxígeno que ingresa al proceso y al aumentar su concentración molar en el agente gasificante (enriquecimiento con O2 del aire), se disminuye la masa de nitrógeno que ingresa al reactor en el agente gasificante y sale de este con el gas pobre. Solo considerando que el enriquecimiento disminuye la cantidad de nitrógeno que sale en el gas pobre, es de esperarse que cuan mayor sea el enriquecimiento mayor será el poder calorífico (PCI) del gas pobre, por efec-to de la menor dilución de los gases combustibles con inertes. De acuerdo con lo anterior, considerando los resultados del proceso base, en el cual se utiliza aire ambiente de 21% O2 y 79% N2, un incremento de la concentración de O2 a 24% y 29% ocasionaría incrementos teóricos en el PCI del gas del 10% y del 23%, respectivamente (solo considerando menor dilución del gas pobre con inertes). Sin embargo, los resultados experimentales muestran que los PCI del gas obtenido se incrementa en 17% y 46%, debido a menores pérdidas convectivas de calor, cuando se tiene menor nitrógeno ingresando y saliendo del proceso. La velocidad de avance del proceso y la tasa de consumo de biomasa aumentan proporcionalmente con la concentración de O2 en el agente gasificante (Ver Fig 1a), resultado que también es consecuencia de las menores pérdidas de calor del proceso ocasionadas por el nitrógeno, y en particular por menor enfriamiento con-vectivo y menor atenuación de la radiación, ocasionados por éste, en los subproce-sos endotérmicos. El mayor empaquetamiento de la biomasa disminuye levemente el rendimiento del proceso debido a la menor penetración de la radiación proveniente de la zona de oxidación hacia las demás zonas del proceso (Fig 1b), con lo que se tiene menor transferencia de calor hacia las zonas de secado, devolatilización y reducción, y por tanto menor producción de gases combustibles.

289

010203040506070

0,35 0,45 0,55 0,65

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Figura 16. Efecto de la variación del factor de empaquetamiento y el aire enriquecido: a) Velocidad del frente de llama, d) Rendimiento en frío

Conclusiones • El aumento de la concentración de oxígeno en el aire de 21 a 24 y 29%

(disminución del nitrógeno de 79 a 76 y 71%), disminuye la dilución de los gases combustibles con el nitrógeno y las pérdidas de calor ocasionadas por este, con lo que se logran aumentos promedios en el PCI del gas de 2.7 a 3.4 y 3.9 MJ/Nm3 respectivamente. El mejor desempeño se debe a la di-minución del nitrógeno que ingresa y sale del proceso y a las menores pérdidas de calor ocasionadas por el efecto convectivo de los gases inertes. Los bajos valores del PCI en comparación con los obtenidos en plantas in-dustriales, se deben a las condiciones transitorias de los experimentos.

• Con aumentos de la concentración de oxígeno en el agente gasificante del 38%, aumenta drásticamente la velocidad de avance del proceso hasta en 160%, logrando disminuciones en la relación de equivalencia y en la tem-peratura máxima del proceso alrededor del 65%. Las menores pérdidas de calor con el aumento del enriquecimiento del gasificante, permiten aumen-tar las tasas de secado y devolatilización, lo que explica el aumento en la velocidad del frente de llama.

Referencias

[1] C. Sánchez, Tecnología de la gasificación de biomasa, Campinas (Br), 2010. [2] J.F. Perez, Y. Lenis, S. Rojas, C. Leon, Decentralized power generation through biomass gasifica-tion: a technical – economic analysis and implications by reduction of CO2 emissions, Revista Facultad de Ingeniería, (2012) 91-103. [3] P. Quaak, H. Knoef, H. Stassen, Energy from Biomass: A review of Combustion and Gasification Technologies, Washington D. C. (USA), 1999. [4] CorpoEma, Plan de desarrollo para las fuentes no convencionales de energía en Colombia, in, UPME, Bogota (Col), 2010. [5] F. Tinaut, A. Melgar, J.F. Pérez, A. Horrillo, Effect of biomass particle size and air superficial velocity on the gasification process in a downdraft fixed bed gasifier. An experimental and modelling study, Fuel Processing Technology, 89 (2008) 1076-1089.

290

VALORACIÓN ENERGÉTICA DE BIOMASA RESIDUAL ME-DIANTE GASIFICACIÓN EN LECHO FIJO

(Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis)

Yuhan A. Lenis, Andrés F. Agudelo, Juan F. Pérez* Grupo de manejo eficiente de la energía – Gimel, Universidad de Antioquia, Calle 67 No. 53-108

Medellín - Colombia, e-mail: juanpb@udea.edu.co Introducción A nivel mundial la biomasa se considerada cada vez más para generación de energ-ía eléctrica, ya que es un biocombustible amigable con el medio ambiente; sin em-bargo, en el caso colombiano no se ha masificado su uso por los bajos costos de la generación eléctrica proviene de fuentes hídricas, por tanto en este escenario no se considera viable la implementación de equipos de generación que operen con bio-masa [1, 2]. Entre los escenarios colombianos más promisorios para la implemen-tación de sistemas de generación con biomasa se encuentran la generación en zonas no interconectadas (ZNI), debido a los bajos costos de generación de estos sistemas respecto al sistema convencional de generación (pequeñas plantas diesel). Las de-mandas de potencia en las ZNI están entre 20 – 1000 kWe. Con la generación a partir de biomasa residual (asumiendo cero costo del combustible) los costos de generación son alrededor de 0.1 USD/kWe-h, considerando que se utiliza la bioma-sa en el mismo lugar en que se produce y con el mínimo de pretratamientos. Para este rango de potencias, la tecnología más adecuada sería la de gasificación en lecho fijo equicorriente, por su menor producción de alquitranes y facilidad de acople con los motores de combustión interna [3]. Considerando que la biomasa residual está compuesta principalmente por aserrín, astillas, orillos y entresacas, buscando utilizar el aserrín residual bajo la tecnología de lecho fijo, en este trabajo se plantea la gasificación de mezclas aserrín y astillas (astillado de orillos y entresacas), en un gasificador de lecho fijo equicorriente. Materiales y métodos Entre los grandes retos que enfrenta el uso de aserrín en gasificadores de lecho fijo, se encuentran la fluidización (o arrastre) de las partículas para velocidades del agente gasificante superiores a la velocidad mínima de fluidización y la menor penetración de la radiación al interior del lecho, siendo este el principal mecanismo de transferencia de calor en gasificadores de lecho fijo [4]. Buscando facilitar el uso del aserrín en este tipo de tecnologías se plantea gasificar mezclas de aserrín con astillas en concentraciones de aserrín en masa de 0%, 30%, 70% y 100%, utili-zando 3 velocidades superficiales del aire inferiores a la de fluidización del tamaño característico del aserrín. El aserrín utilizado es típico de aserraderos y solo se acondiciona la humedad. Los experimentos se desarrollan en un reactor de lecho fijo equicorriente operando en transitorio, completamente instrumentado para la

291

medición de los parámetros característicos del proceso, tales como: campo de tem-peratura, flujos de gasificante, velocidad del frente de llama, dosado relativo del proceso, composición y densidad energética del gas producido, y rendimiento del proceso. Resultados y discusión El tamaño característico de la distribución de tamaño del aserrín es de 1.5 mm, aunque se tenían partículas con tamaños inferiores a 0.1mm. La velocidad mínima de fluidización, considerando el tamaño característico, se encuentra alrededor de 0.15 m/s [5], por lo tanto los experimentos fueron desarrollados con velocidades superficiales del gasificante de 0.06, 0.09 y 0.12 m/s, pese a que estas velocidades son inferiores a la de fluidización, la distribución de tamaños ocasiona que las partículas con tamaños inferiores al característico se fluidicen generando inestabi-lidades en el proceso por la formación de caminos preferentes y por la pérdida de masa del sólido. Adicionalmente, la disminución del tamaño y la pérdida de peso de las partículas durante los procesos de secado y devolatilización, también ocasio-nan la fluidización y pérdida de una fracción de la biomasa en el proceso. Aun considerando las pérdidas de combustible, se encontró que los mayores ren-dimientos del proceso se obtienen para aserrín al 100% (eficiencia: 30%) seguido de las pruebas con astillas al 100% (eficiencia: 27%) y finalmente las mezclas con 30% (eficiencia: 25%) y 70% (eficiencia: 22%) de aserrín. Los rendimientos son bajos en comparación con las plantas que operan a nivel industrial, pero se deben a las condiciones transitorias de los experimentos. Pese a los rendimientos aceptables (para las condiciones transitorias), no se recomienda el uso de mezclas con canti-dades de aserrín superiores al 30% en masa, debido al modo inestable en el que se desarrolla el proceso con pérdidas de masa caliente que no transfiere energía por radiación a las zonas de biomasa fresca, con lo que disminuye el rendimiento e incrementan las posibilidades de extinción del proceso (ver Fig. 1).

292

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m/m

in)

Porcentaje de aserrin en la mezcla

0200400600800

1000

0 250 500 750 1000

T (°

C)

t (s)

0200400600800

1000

0 250 500 750T

(°C)

t (s)

0200400600800

1000

0 250 500 750 1000

T (°

C)

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0200400600800

1000

0 250 500 750 1000 1250

T (°

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0200400600800

1000

0 250 500 750 1000 1250

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0200400600800

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0 250 500 750 1000

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0200400600800

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0 250 500 750

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0200400600800

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0200400600800

1000

0 250 500 750 1000

T (°

C)

t (s)

Figura 17. Campos de temperatura de todos los experimentos

Conclusiones 1) Pese a que la velocidad superficial del aire fue inferior a la de fluidización del aserrín (considerando el tamaño característico de la distribución), se encontró que una gran cantidad de biomasa se fluidizaba debido a: la distribución de tamaño del aserrín donde se encuentran partículas con tamaños inferiores a 0.1mm, y por la disminución de peso de las partículas durante los procesos al interior del gasifica-dor. 2) Los mayores rendimientos del proceso se obtienen para aserrín al 100% seguido de las pruebas con astillas al 100% y finalmente las mezclas con 30% y 70% de aserrín, para los cuales se obtienen rendimientos promedios de 30, 27, 25 y 22% respectivamente, rendimientos acordes con las operaciones transitorias de los experimentos. El mayor rendimiento logrado con el aserrín se debe a a la mayor cantidad de masa por unidad de aire, aspecto que aumenta la relación combusti-ble/aire (el proceso tiende a gasificación) y aumenta la concentración de gases combustibles. 3) Debido a la pérdida de biomasa del proceso y a la presencia de ésta en el gas pobre, la cual se agudizaba con la mayor concentración de aserrín en la mezcla, no se recomienda el uso de mezclas astillas aserrín en concentraciones superiores al 30% en masa, sin embargo se considera que se pueden rediseñar los reactores para que trabajen con mezclas superiores de residuo. Referencias [1] J.F. Perez, Y. Lenis, S. Rojas, C. Leon, Decentralized power generation through biomass gasifica-tion: a technical – economic analysis and implications by reduction of CO2 emissions, Revista Facultad de Ingeniería, (2012) 91-103. [2] CorpoEma, Plan de desarrollo para las fuentes no convencionales de energía en Colombia, in, UPME, Bogota (Col), 2010. [3] P. Quaak, H. Knoef, H. Stassen, Energy from Biomass: A review of Combustion and Gasification Technologies, Washington D. C. (USA), 1999.

293

[4] F. Tinaut, A. Melgar, J.F. Pérez, A. Horrillo, Effect of biomass particle size and air superficial velocity on the gasification process in a downdraft fixed bed gasifier. An experimental and modelling study, Fuel Processing Technology, 89 (2008) 1076-1089. [5] S.-S.M. De, Solid Fuels Combustion and Gasification Modeling, simulation and equipment opera-tion, Ney York, 2004.

294

TECHNICAL AND ECONOMICAL ASSESSMENT OF POWER GENERATION TECHNOLOGIES FIRING SYNGAS FROM

BIOSOLID GASIFICATION, WITH COST ESTIMATION METH-ODS: THE CASE OF MEDELLÍN, COLOMBIA. (Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis)

Luis C. Olmos V.1

1. Institución Universitaria Pascual Bravo, Grupo de investigación e Innovación de la Energía GiiEN,

Medellín-Antioquia. luis.olmos@pascualbravo.edu.co

Introduction In Colombia, protection of hydric resource has been studied since long time, but

just in 1984 was implemented a law about water use and liquid residuals. In 1994, was approved the building of first waste water treatment plant (WWTP) located in Bogota, this WWTP was named Salitre. Salitre was brought into operation in 2000, motivating the creation of others WWTP around the country.

In the last 30 years, research about biosolid utilization has emerged [1], where deep concern is that the biosolid productions become an environmental problem duo to its rapid increases. Initially, studies about biosolid utilization have been focused in agricultural activities like compost and soil recovery [2]. According with the norms NOM-004-SEMARNAT-2002 (Mexico) y EPA 40CFR- 503 PC –EQ QUALITY (USA) there are three type of biosolids (A, B and C) depending to pathogen and heavy metal content, hence not all type of biosolid can be used for agricultural activities. This is why, new alternatives for biosolid utilization are considered.

State of the art has shown that most of the projects mentioned only make a biosolid assessment until gasification process but they do not analyze the power generation process.

Methodology The methodology of this research was focused in define the principal variables

to use, taking into account several project about technical and economic assessment [3-5]. After that, these variables were analysed with two financial Index, net pre-sent value (NPV) and internal rate of return (IRR).

Economic Performances of GE vs. DE solution The economic assessment of both power generation technologies have been in-

vestigated and compared over a capacity range of 60–1640kW. The analysis has been carried out assuming the reference values of the influencing economic param-eters described in the previous section, and using cost scale-up factor method. The obtained results are plotted in Figs. 1.

295

-$ 500,00

$ 0,00

$ 500,00

$ 1.000,00

$ 1.500,00

$ 2.000,00

$ 2.500,00

$ 3.000,00

$ 3.500,00

0 500 1000 1500 2000

NPV

[Tho

usan

ds U

S$]

Power Capacity [kW]

GEDE

Opportunity Cost Rate = 15%

Fig. 1. Effect of plant size and technology on NPV.

Conclusions The developed analysis has highlighted that scale effects are very significant for

both the economic and logistic performances of considered bio-energy systems. More specifically, profitability of both GE and DE plant strongly improves with scale-up of plant size; at the same time logistic constraints on economic perfor-mances become less restrictive with increasing sizes. Furthermore, the comparison between the two analysed plant configurations in terms of capital and operating costs shows that DE is characterized by lower TCI but, at the same time, higher TOC respect to GE. However, under current technological and market conditions, without financing supports and taking into account modal values for the main eco-nomic and logistic parameters. As a result, at present, GE shows a better profitabil-ity. Nevertheless, from a TCI point of view and in a short time horizon if adequate a decrease of Diesel cost is adopted the investment profitability of DE strongly improves, becoming comparable with economic performance of GE. Furthermore, over a long-time perspective, technological developments and improvements relat-ed to the learning effects will reduce the capital costs of biomass gasification pro-cesses increasing the viability of both technologies.

Agradecimientos: Grupo GASURE, Grupo TAYEA, grupo GIGA, Grupo QUIREMA y COL-

CIENCIAS, por sus aportes en conocimiento y financieros. References [1] Dáguer, G.P., Biosolidos y su gestión en colombia. ACODAL, 2003. 202: p. 10. [2] Petersen, S.P. and B.K. Ahring, Analysis of sulfate in sewage sludge using ion chromato-

graphic techniques. Journal of Microbiological Methods, 1990. 12(3-4): p. 225-230. [3] Larson, E.D. and C.I. Marrison, Economic Scales for First-Generation Biomass-

Gasifier/Gas Turbine Combined Cycles Fueled From Energy Plantations. 1997, ASME. p. 285-290. [4] Sridhar, G., P.J. Paul, and H.S. Mukunda, Biomass derived producer gas as a reciprocating

engine fuel--an experimental analysis. Biomass and Bioenergy, 2001. 21(1): p. 61-72. [5] Caputo, A.C., et al., Economics of biomass energy utilization in combustion and gasifica-

tion plants: effects of logistic variables. Biomass and Bioenergy, 2005. 28(1): p. 35-51.

296

HARINA DE LOMBRIZ COMO FUENTE DE NITROGENO NO CONVENCIONAL PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL

Biocombustibles y co-productos a partir de materiales no convencionales

Liliana SERNA-Cock1, Carlos Andrés RENGIFO G2 y Miguel Ángel ROJAS R3 1-2-3 Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, Carrera 32 vía Candela-ria, Palmira, Valle del Cauca, Colombia.1 lserna@unal.edu.co, 2 carengifog@unal.edu.co, 3 marojas-

re@unal.edu.co

Introducción La producción de etanol por fermentación microbiana utiliza fuentes de carbono como almidones, azúcares, o celulosa [1]. Recientes estudios se han centrado en buscar fuentes alternativas de carbono y nitrógeno económicamente viables. El nitrógeno asimilable por las levaduras se aporta generalmente con urea, sales de amonio y aminoácidos y son los componentes más costosos en una fermentación [2]. La lombriz roja californiana (Eisenia foetida) posee altos contenidos de nitró-geno y proteínas, y podría convertirse en una buena fuente de nitrógeno para fer-mentaciones alcohólicas. El objetivo fue evaluar una fuente de nitrógeno no con-vencional como lombriz Roja Californiana como fuente de nitrógeno en la fermen-tación alcohólica.

Materiales y Métodos

Obtención de harina de lombriz Se utilizó lombriz Roja Californiana (Eisenia foetida). Las lombrices se sacrifica-ron, se secaron (Binder ED115, Alemania) y molieron (Fritsch, Alemania) para obtener harina. Se realizó determinación de nitrógeno en la harina (Kejhdal), [3].

Microorganismo, sustratos y cinéticas de fermentación Se realizaron 6 fermentaciones de 1L (32ºC en baño termostático (Julabo – 13A – Alemania), con Saccharomyces cerevisiae Ethanol Red (Division of S.I. Leaffre Group, France) a concentración de 1gL-1 y dos formulaciones de sustrato: Sustrato control (melaza + 1.1gL-1 de urea + 0.67gL-1 de fosfato de amonio y sustrato harina de lombriz HL (melaza + 6.9 gL-1 de harina de lombriz). Se fermentó en dos etapas, etapa de reproducción (30% del volumen total, 8º Brix, aireación 5Lmin-1, agita-ción 270 rpm, 4 horas) y etapa de fermentación (70 % del volumen total, 23º Brix, agitación 270 rpm, 24 horas sin aireación). Se tomaron asépticamente 10 ml de muestra a las 0, 1, 2, 3 y 4 horas en la etapa de reproducción y a las 3, 6, 12, 18 y 24 horas en la etapa de fermentación. Se determinó biomasa por conteo celular en cámara de Neubauer (BOECO, Alemania), azúcares reductores por el método DNS (acido 3,5-dinitrosalicilico) [4], y alcohol por reflectometria (RQFlex plus 10 Merck, Alemania). Se calculó rendimiento en producto Yp/s con la ecuación nume-ro 1.

SSPY

osp −=/

[1]

297

Donde P, es la concentración de alcohol (gL-1); So, concentración inicial de sustrato (gL-1) y S, concentración final de sustrato (gL-1);

Análisis estadístico Se utilizó diseño factorial de 2*2, correspondiente a dos sustratos de fermentación y dos tiempos (18 y 24 horas). Las variables de respuesta fueron producción de alcohol, rendimiento de producto, y consumo de sustrato. Se realizó análisis de varianza y comparación de promedios con la prueba de Tukey. Se utilizó el pro-grama SAS versión 9.3 [5].

Resultados y discusión No se presentaron diferencias significativas en la producción de alcohol y consumo de sustrato para los dos tratamientos. La producción final de alcohol fue de 58.12gL-1 y 55.20gL-1 para sustrato control y HL respectivamente (Figura 1), sin embargo, el rendimiento en producto a las 24 horas fue mayor en sustrato HL con 3.50gg-1 y de 3.29gg-1 para sustrato control. Dhillon et al.,[6] obtuvieron concen-traciones de 30gL-1 de alcohol suplementando melazas con desechos de coliflor como fuente de nitrógeno y minerales.

Figura 1. Cinética de producción de alcohol y consumo de sustrato en sustrato control y HL.

Conclusión

La harina de lombriz roja californiana representa un potencial biotecnológico im-portante y económico para su utilización como fuente de nitrógeno en el desarrollo de fermentaciones alcohólicas. El uso de harina de lombriz podría disminuir los costos de materias primas hasta en un 30% en comparación con las fuentes de nitrógeno convencionales, y además permite obtener rendimientos adecuados en la producción de alcohol.

Referencias [1] Turhan I., BialkaK.L., Demirci A.,Karhan M. (2010).Ethanol production from carob extract by using Saccharomyces cerevisiae.Bioresource Technology 101 5290–5296. [2] Garcia R.A., Piazza G.J., Wen Z., Pyle D.J., Solaiman D.K.Y. (2010). The non-nutritional per-formance characteristicsof peptones made from rendered protein. J Ind Microbiol Biotechno 37:95–102. [3] Kjeldah, J. (1883). Neue Methode zur Bestimmung der Stickstoffs in organischen Korpern. Z Anal Chem, 22: 366–382. [4] Millar G.L. (1959).Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analyt. Chem, 31: 426–429.

298

[5] SAS INSTITUTE INC. (1993). SAS user’s guide. Statistics, version 6.03 Edition. SAS Institute Inc., Cary, NC. [6] Dhillon G.S., Bansal S., Oberoi H. S. (2007). Cauliflower waste incorporation into cane molasses improvesethanol production using Saccharomyces cerevisiae MTCC 178. Indian J. Microbiol 47:353–357.

299

EFECTO DE LA HUMEDAD DEL BAGAZO DE CAÑA EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LECHO FIJO (Combustibles sólidos: combustión, gasificación y pirolisis)

Sánchez Z*. García H.** , Escalante H*.

*Universidad Industrial de Santander UIS – Bucaramanga Colombia, escala@uis.edu.co Centro de Estudios e Investigaciones Ambientales – CEIAM

**Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria Corpoica- Bogotá Colombia, hgarcia@corpoica.org.co

Introducción.

El consumo energético del proceso de elaboración de panela es suplido por la combustión del bagazo de caña (BC) residual en hornos de lecho fijo. Los actuales diseños y condiciones de operación de los hornos paneleros, solo permiten apro-vechar el 50% del poder calorífico del BC, causando consumos adicionales de combustibles como leña, carbón y, en ocasiones, caucho de llanta de vehículos (1).

Estudios sobre combustión de madera (2) , paja (3) y desechos sólidos (4) han demostrado que la humedad del combustible y el tamaño de partícula, afectan el rendimiento de los hornos. El contenido de humedad de una biomasa causa la re-ducción de su poder calorífico en inestabilidad en la combustión (5). Cuando la combustión se realiza en lecho fijo las etapas de combustión (secado, devolatiliza-ción y oxidación de carbonizado) ocurren como frentes que se desplazan en el combustible. Dependiendo de las condiciones de operación, estos frentes se mue-ven por separado o en un frente único llamado frente de combustión (6). El objeti-vo del presente trabajo fue el estudio de la influencia del contenido de humedad del BC, cuando es utilizado en la combustión para generar energía al proceso de pro-ducción de panela. Las variables de respuesta fueron las tasas de propagación de cada uno de los frentes [kg/s por m2 de parrilla] y el rendimiento de la combustión expresado como:

Donde Qrx [kW] es el calor de combustión en el horno, mB [kg/s] la masa de BC

consumida y PCI [kJ/kg] su poder calorífico inferior.

Materiales y métodos. El estudio se llevó a cabo en un horno del lecho fijo de geometría rectangular,

con altura máxima de lecho de 60 cm. El horno contó con dos entradas de aire: uno primario a través de la parrilla y uno secundario sobre el lecho de combustible. Los flujos de aire fueron controlados por medio de dos ventiladores con potencia vari-able. Se sensaron las temperaturas en el lecho de bagazo por medio de 6 termopilas tipo K, distribuidas axialmente a una profundidad de 15 cm, con 10 cm entre ellas.

300

Un analizador de gases de combustión portátil marca TESTO 350 XL permitió medir la composición de CO2, CO y O2 a la salida del horno.

El flujo de aire primario y secundario se mantuvo en 0,75 y 0,84 kg/s por m2 de parrilla, respectivamente. Se utilizó BC con tamaño de partícula de 1 mm. Las humedades del combustible evaluadas fueron 10, 30 y 42%. Las temperaturas en el lecho permitieron identificar las etapas de combustión y establecer la tasa de pro-pagación de cada frente, la cual a su vez permitió calcular el consumo total de combustible¡Error! Marcador no definido.. A partir de los perfiles de concentración de los gases de combustión y los balances de masa y energía se calculó el rendimiento de la combustión (7).

Resultados y discusión.

En la figura 1 se presenta el comportamiento de la tasa de propagación de los frentes de secado, devolatilización y oxidación de carbonizado, con respecto a la humedad del bagazo de caña. Se observa una reducción en las tres tasas con el incremento en la humedad.

En el proceso de combustión del BC, el contenido de humedad y por ende la cantidad de agua evaporada ocasiona un retraso en el inicio de la liberación de volátiles y en consecuencia una caída la tasa de devolatilización; comportamiento similar al reportado para la combustión de paja (8) y madera (9). Al disminuir la cantidad de volátiles liberados se reduce el calor obtenido durante su oxidación con el aire, dando lugar a una disminución en el calor disponible para transferir a las subsecuentes capas de bagazo. El anterior comportamiento conduce a que se genere una reducción en las tasas de propagación de los frentes.

Figura 1. Tasa de propagación de los frentes de secado, devolatilización y oxidación de

carbonizado en función del contenido de humedad.

301

Figura 2. Rendimiento de la combustión de BC y la relación n en función de la humedad

La figura 2 presenta el rendimiento de la combustión de BC y la relación de exceso de aire n [Flujo de aire real/ flujo de aire necesario para combustión completa]¡Error! Marcador no definido. como función del contenido de humedad. Se observa que el rendimiento de la combustión se ve favorecido con el conte-nido de humedad del BC. Sin embargo, a medida que se reduce la tasa de propagación de los frentes, también lo hace el consumo total de BC en el horno. Por consiguiente, debido a que se trabajó con flujo de aire constante la relación n aumenta por encima de 1, desplazando la combustión a una zona rica en oxígeno. Este comportamiento da lugar a combustiones más completas y con menos pérdidas de carbono no quemado.

Conclusiones.

Las tasas de propagación de los frentes de secado, devolatilización y oxi-dación de carbonizado varían inversamente proporcional al contenido de humedad del BC; siendo las mayores tasas de propagación a 10% de hume-dad. Sin embargo el flujo de aire empleado no fue suficiente para la com-bustión completa del BC (n<1), provocando los menores rendimientos. Por el contrario, a pesar que las menores tasas de propagación de los fuentes la presentó el BC con humedad del 42%, el alto exceso de aire suministrado (n = 6) permitió que todo el BC reaccionara alcanzando los mayores rendi-mientos.

Agradecimientos: Los autores agradecen a CORPOICA, a la UIS y al CEIAM por su gran colabora-ción en el desarrollo de la presente investigación.

Referencias

1. Gordillo G., García H. (1992). Manual para el diseño y operación de hornillas paneleras. Barbosa-Colombia: Corpoica.

302

2. Galgano A., Di Blasi C. (2004). Modeling the propagation of drying and decomposition fronts in wood. Combustion and Flame 139, 16-27.

3. Zhou H., Jensen A. D., Glarborg P., Jensen P. A., Kavaliauscas A. (2005). Numerical mode-ling of Straw combustion in a fixed bed. Fuel 84, 389- 403.

4. Liang L., Sun R., Fei J., Wu S., Liu X., Dai K., Yao N (2008). Experimental study on ef-fects of moisture content on combustion characteristics of simulated municipal solid waste in a fixed bed. Bioresource Technology 99, 7238-7246.

5. Woodfield P. L., Kent J. H., Dixon T. F. (2000). Computational modeling of combustion instability in bagasse - fired furnaces. Experimental Thermal an Fluid Science 21, 17-25.

6. Porteiro J., Patiño D., Collazo J., Granada E., Moran J., Miguez J. L. (2010). Experimental analysis of the ignition front propagation of several biomass fuels in a fixed bed combustor. Fuel 89, 26-35.

7. Yang Y. B., Ryu C., Khor A., Yates N. E., Sharifi V. N., Swithenbank J. (2005). Effect of fuel properties on biomass combustion. Part II modeling approach- identification of the controlling factors . Fuel 84, 2116-2130.

8. Zhao W., Li Z., Zhao G., Zhang F., Zhu Q.(2008). Effect of air preheating and fuel moisture on combustion characteristics of corn straw in a fixed bed. Energy Conversion and Mana-gement 49, 3560-3565.

303

PIRÓLISIS DE BIOSÓLIDOS Y DEGRADACIÓN DE SUS ALQUITRANES

(Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis)

Libardo Mendoza1, Alexánder Gómez1 y Sonia Rincón1 1. Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica,

Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos (BIOT), Carrera 45 No 26-85, lemendozag@unal.edu.co

Introducción Los biosólidos son residuos sólidos generados en las plantas de tratamiento de

aguas residuales cuyo manejo se hace cada vez más difícil y costoso. La valoriza-ción energética de los biosólidos a través de la pirólisis para obtener un gas com-bustible puede representar una solución económica y ambientalmente factible para la disposición de estos residuos, a. El objetivo de este trabajo es estudiar el proce-so de pirolisis de biosólidos y el craqueo heterogéneo para la reducción de alqui-tranes en la fase volátil generada durante la pirólisis usando como superficie de reacción carbón activado obtenido a partir de cuesco de palma.

Materiales y Métodos Se realiza la caracterización combustible de los biosólidos generados en la plan-

ta de tratamiento de aguas residuales El Salitre de Bogotá, que incluye el análisis próximo (contenido de humedad, cenizas y material volátil), análisis elemental y poder calorífico, tomando como base las normas internacionales para combustibles sólidos y biocombustibles. Adicionalmente, se lleva a cabo el procedimiento des-crito en la norma internacional ISO 647, b, para determinar la distribución de pro-ductos (sólidos, líquidos y gases) en el proceso de pirólisis.

El estudio de la pirólisis de biosólidos se realiza en un equipo de termogravi-metría bajo una atmósfera inerte (N2), implementando tasas de calentamiento de 3 y 10 K/min hasta una temperatura final de 960 °C.

Para el estudio del proceso de craqueo heterogéneo de alquitranes se emplea un reactor con dos lechos fijos en serie, calentados de forma indirecta e independiente. En la primera etapa del reactor ocurre la pirolisis del lecho fijo de biosólidos; en la segunda etapa del reactor se localiza el lecho fijo de carbón activado y ocurre el craqueo heterogéneo de alquitranes producidos en la primera etapa. Se realiza la evaluación de los efectos de la temperatura de craqueo, el área superficial disponi-ble y el tiempo de contacto de la fase volátil con la superficie de reacción.

Resultados y discusión Pirólisis de biosólidos: La descomposición térmica de biosólidos puede ser des-

crita a través de la diferenciación de tres etapas: la primera etapa ocurre a tempera-turas entre 200 y 400 °C, donde se presenta la mayor parte de la formación de productos sólidos y líquidos; la segunda etapa ocurre entre 400 y 600 °C, en esta se

304

completa la formación de la fracción de los productos sólidos y líquidos; la tercera etapa se presenta a temperaturas mayores a 600 °C, en esta predominan las re-acciones que forman la fracción de gases. La distribución de las fracciones másicas de los productos obtenidos respecto a la masa inicial de biosólidos en base seca y libre de cenizas es: para los productos sólidos una fracción cercana al 20 %, la fracción de los productos líquidos es cerca de 60% y la fracción de los gases co-rresponde al 20% restante.

Craqueo heterogéneo de alquitranes: Se obtiene eficiencias de reducción de al-

quitranes entre 94 y 97% en fracción másica de acuerdo con la variación de los parámetros del proceso. Se realiza la variación de la temperatura de craqueo para valores de 650, 700, 800 y 900 °C. Se observa una tendencia a la disminución de la fracción de alquitranes al incrementar la temperatura. La disminución del tiempo de residencia de la fase volátil en la cama de carbón activado tiene como conse-cuencia la disminución de las reacciones secundarias de craqueo heterogéneo. Esto conlleva a que en los resultados obtenidos se tenga mayor fracción de alquitranes para un menor tiempo de residencia. Para evaluar la influencia del área superficial se realiza la variación la altura de la cama de carbón activado manteniendo una temperatura y tiempo de residencia constante en el segundo reactor. El área super-ficial en contacto con la fase volátil es directamente proporcional a las reacciones secundarias de craqueo que se presentan. Al incrementar el área superficial se au-menta la fracción de gases no livianos y se disminuye la fracción final de alquitra-nes.

Conclusiones Los resultados obtenidos en este trabajo permiten establecer una alta factibilidad

para implementar la pirolisis de biosólidos y el craqueo heterogéneo de los alqui-tranes generados, como un proceso para obtener una fuente alterna y limpia de energía. La fracción de alquitranes en la fase volátil obtenida después del proceso de craqueo heterogéneo permite usar la fase volátil generada en la pirolisis de bio-sólidos como un combustible adecuado para aplicaciones energéticas. Este estudio se convierte en el punto de partida para la investigación del proceso de pirólisis como una vía de valorización de los biosólidos, la cual debe estar orientada a recu-perar el valor energético de estos materiales y a encontrar vías directas de aplica-ción de sus productos como materia prima de segunda generación para otros proce-sos que disminuyan el impacto ambiental.

Agradecimientos: Al Departamento Administrativo de Ciencia e Innovación – Colciencias de Co-

lombia y a la Dirección de Investigación – DIB de la Universidad Nacional de Colombia en Bogotá, entidades que apoyaron financieramente este trabajo. Al Instituto de Ingeniería Térmica de la Uni-versidad de Kassel en Kassel – Alemania donde se llevó a cabo el componente experimental de este trabajo y especialmente al Dr.-Ing. Wolfgang Wiest por su apoyo y asesoría.

305

Referencias a. Fytili, D., Zabaniotou, D.: Utilization of sewage sludge in EU application of old and new

methods—A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 12, 116–140, (2008). b. Norma ISO 647. Brown coals and lignites -- Determination of the yields of tar, water, gas and

coke residue by low temperature distillation.

306

ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DE LA GASIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS DE LA FLORICULTURA EN EL ORIENTE ANTIO-QUEÑO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

(Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis)

Diego Yepes Maya, Alejandro Jaramillo Arango y Farid Chejne Janna Universidad Nacional de Colombia, Grupo de Investigación en Termodinámica Aplicada y Energías

Alternativas – TAYEA-, Cr. 80 No. 65-223, Antioquia, Colombia. fchejne@unal.edu.co

Introducción: Para el año 2011 se estimó que el área cultivada de flores en el oriente antio-

queño fue de 1.292 hectáreas (ha) representando un 19% del total nacional en un sector de la economía que genera el 8% del producto interno bruto y se ubica en orden de importancia como el segundo producto agropecuario que exporta Colom-bia por debajo del café y antes del banano (Asocolflores 2010).

Las especies florales cultivadas en esta región corresponden principalmente a Hortensia (Hydrangea macrophylla) con un 32%, Pompón (Chrysanthemum) con 29% y Áster (Áster spp) 12% y en el proceso de poscosecha dichos cultivos gene-ran cada mes entre 2,0 y 3,5 ton/ha de residuos. Este material podría ser aprove-chado para suplir el consumo energético del sector el cual está alrededor de 4.000 kWh/ha mes representados en las necesidades eléctricas de iluminación (fotoesti-mulación) de cultivos, refrigeración de productos y bombeo de aguas, aparte de la necesidad térmica de desinfección de suelos con vapor (Carmel 2009; Yepes and Jaramillo 2012).

Como opciones de aprovechamiento térmico de biomasas existen alternativas tecnológicas alrededor de la combustión, la pirólisis y la gasificación (Higman and van der Burgt 2007; Basu 2010), siendo la última el objeto de este estudio donde se evalúan las condiciones que hacen factible la implementación de este tipo de pro-yectos bajo criterios de viabilidad técnica y financiera.

Materiales y Métodos: Conforme a la distribución de especies en los cultivos de flores del oriente an-

tioqueño se preparó una muestra característica con una composición normalizada de Hortensia (44%), Pompón (40%) y Áster (16%) y se caracterizó por medio de un análisis próximo y un análisis elemental.

El resultado de los análisis y el flujo de la biomasa fueron las variables de en-trada de un modelo desarrollado en Aspen Plus® que asume equilibrio termodiná-mico en la gasificación a 850°C.

307

Figura 18. Diagrama de flujo del proceso de gasificación implementado en Aspen Plus®

En el modelo el material sólido, con un contenido de humedad del 11%, ingresa a un gasificador que emplea el contenido de agua de la biomasa y una corriente de aire para la formación de un gas pobre el cual es separado de los inertes (cenizas), enfriado, deshumidificado y quemado en un motor de combustión interna para la generación de energía eléctrica.

De acuerdo a los resultados de Aspen Plus, conociendo las condiciones que permiten la operación autotérmica y con la obtención de la composición de un gas con un poder calorífico aprovechable se realizó un modelo financiero con la pre-tensión de encontrar el área de cultivo necesaria para obtener viabilidad financiera al proyecto. Finalmente, dado que en este tipo de proyectos la generación de flujo de caja es muy sensible al precio de la energía, se analizó el riesgo a través de Crystal ball® para el escenario de una plantación con el área mínima necesaria.

Resultados y discusión: Al análisis próximo y elemental se reporta en la Tabla 1 donde se observa el al-

to valor de las cenizas generado fundamentalmente por la cantidad de suelo presen-te en los residuos debido a ciertos métodos de erradicación.

Tabla 7. Resultados de la caracterización de la biomasa

Análisis Próximo

Humedad Cenizas Material Volátil

Carbono Fijo

Azufre total

Poder calorífico (cal/g)

10,9% 27,8% 46,4% 14,9% 0,3% 3.249 Análisis Elemental

C H N O** S 39,8% 3,7% 2,6% 22,4% 0,3% Con el modelo de Aspen Plus® se encontró que la biomasa secada al sol, con un

11% de humedad, requiere una alimentación del 60% del aire estequiométrico para la combustión, para una gasificación autotérmica a 850°C. Con ello se genera un gas el cual al ser deshumidificado tiene una composición del 11,6% H2, 16,4% CO, 11,6% CO2 y 60,4% N2 con un poder calorífico de 2.719 kJ/kg equivalentes a una producción de energía eléctrica de 0,32 kW/ha de cultivo.

El modelo financiero emplea información secundaria de gasificadores de lecho fijo y motogeneradores disponibles en el comercio, con ello se llega a que la insta-lación de este tipo de sistemas sólo encuentra rentabilidad adecuada (con tasas de retorno del 9%) para cultivos mayores a 18,8 ha. Finalmente por medio de Crystal

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Ball® se encuentra que variaciones en el precio del kWh de $1 alrededor de una media de $348 genera una probabilidad del 85,3% de obtener beneficios de una plantación de 18,8 ha.

Conclusión: Bajo las condiciones reportadas en el presente trabajo es posible obtener benefi-

cios económicos, además de los sociales y ambientales, de un proceso de aprove-chamiento de los residuos del sector floricultor por medio de la gasificación.

Referencias

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Colombiano. El Carmen de Viboral, Rionegro.

309

EFECTO DEL CONTENIDO DE HUMEDAD DE 0 % (p/p) ,10 % (p/p), 20 % (p/p) y 30 % (p/p) EN EL CALOR DE COMBUSTION DE

RESIDUOS POST-COSECHA DE CAÑA PANELERA Y MAIZ Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirólisis

Amado – González, Eliseo 1, Villamizar, Cesar2, Maestre, Eris3, Guerra, Ga-briel3, Parra, Silvia3.

1. Universidad de Pamplona, grupo de energía, transformación química y medio ambiente, km 1 vía

Bucaramanga, L-206 IBEAR, Pamplona. eamado@unipamplona.edu.co 2. Universidad de Pamplona, grupo GIAS, km 1 vía Bucaramanga, L-206 IBEAR, Pamplona.

3. Universidad de Pamplona, Programa de Ingeniería Ambiental. Introducción La gestión de residuos sólidos y su valoración energética son, en la actualidad, de gran importancia desde la perspectiva técnica, ecológica y energética. La utiliza-ción de residuos poscosecha como el bagazo de caña panelera en los procesos de preparación de la panela y el potencial de uso del endocarpio de la mazorca, así como en la búsqueda eficiente de utilización de los residuos en procesos de coge-neración de energía. (a) En la presente investigación donde se evalúa el contenido de azúfre y el calor de combustion en residuos poscosecha de caña panelera en las variedades CC85-92, CC85-47, CC 84-75, CC 864-5, RD 75 – 11 y de mazorca en las variedades ICA V-109, ICA V-156, ICA V-304, ICA V-305 E ICA V-507, con contenido de humedad de 0% (p/p), 10% (p/p), 20% (p/p), y 30% (p/p). Materiales y Métodos Para las determinaciones calorimétricas se utilizó un calorímetro PARR 6200 y el método propuesto en la norma ASTM D 4868 (b). Las muestras se molieron y se-caron en un horno a 105 ° durante 12 horas y peso constante. La temperatura se midió con un termistor calibrado con un termómetro (HP 2801). Los datos alimen-taron un computador. El calorímetro fue calibrado con ácido benzoico estándar primario (N.B.S. SRM 39 i) bajo condiciones certificadas de 26,454 MJ/kg. La media y la desviación estándar de la media observada en equivalentes de energía para el calorímetro vacío fue de 15171,36 J/K (seis experimentos). La combustión se realizó con una presión de oxígeno de 3,0 Mpa. Se utilizó un fusible iniciador (Parr 45C10) de 8,368 J/cm. El azufre se determinó en forma de sulfato de bario suspendido con BaCl2 (JT Ba-ker para análisis) según la norma ASTM D 129-91 (c), se midió en un espectro-fotómetro Beckman UV-Vis DU-70. Las soluciones estándares de azufre en medio acuoso se prepararon a partir de sulfato de azufre anhidro 99% (JT Baker, para análisis).Las muestras sólidas de bagazo de caña corresponden a una edad de 10 meses y tercer corte provenientes de los trapiches ubicados en la región de Velez,

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Santander. Las muestras de diferentes humedades se prepararon a partir de material en base seca por peso. Se utilizó agua destilada. Resultados y discusión En la Tabla 1 se observa el mayor efecto de la humedad en las variedad CC 8592 de bagazo de caña panelera con 48,2% y la menos afectada es la variedad RD 7511 con 18,3 %. Sin embargo, presenta el mayor contenido de azufre de 3,466±0,047 %. Tabla 1. Variación de los Calores de combustión (MJ/kg) con la humedad y contenido de azufre (%)

para las variedades de vagazo de caña y maíz

% (p/p) CC 8557 CC 8547 CC 8645 CC 8592 CC 8475 RD 75110 17,5127 17,0076 16,9116 16,9174 16,433 16,4761

10 15,4411 15,5501 15,1611 14,2326 14,9812 15,403320 13,069 14,8293 13,7101 11,0471 13,2229 14,032130 11,763 10,4572 11,6591 8,7631 12,4771 13,4541

Max.efecto (%) 32,8 38,51 31,01 48,2 24 18,3S (%) 1,1391±0,032 3,0121±0,006 0,9714±0,054 3,1618±0,082 1,2117±0,026 3,4664±0,047

% (p/p) ICA V-109 ICA V-156 ICA V-304 ICA V-305 ICA V-5070 20,0785 18,2803 19,6329 18,8261 19,4062

10 16,8162 16,3652 16,7361 18,4844 16,008520 15,9455 14,8293 15,1672 15,6701 14,05730 14,3893 13,4572 13,6215 13,1102 12,0726

Max.efec. (%) 28,33 26,38 30,62 30,36 37,79S (%) 0,167±0,0074 0,263±0,0073 0,338±0,0074 0,337±0,0049 0,464±0,0018

±σ La variedad de maíz ICA V-507 resulta la más afectada con un 37,79% del calor de combustión y un contenido de azufre de 0,464±0,0018. Conclusiones Una humedad mayor al 10 % (p/p) afecta hasta en un 20% el calor de combustión. Por tanto, la implementación de tecnologías de secado de los residuos poscosecha es obligatoria. La producción de azufre en algunas variedades de bagazo y de maíz es de alrededor del 0,17%, sin embargo, estas variedades no presentan un buen rendimiento energético. Agradecimientos Los autores agradecen la colaboración del centro de investigaciones CIMPA Corpoica, Barbosa y a la Asociación de Productores de Maíz de Bolivar /ICA. Referencias. a.Amado, Eliseo, Altamiranda, Edmary. Diseño de una planta piloto para la transformación de biomasa en biocombustibles. Universidad de Pamplona, 2004. b.www.astm.org/Standards.ASTMD4868.Standard Test Method for Estimation of Net and Gross Heat of Combustion of Burner and DieselFuels. c. www.astm.org/Standards. Standard Test Method for Sulfur in Petroleum Products.

311

CARACTERIZACIÓN DE BIOMASA PARA SU UTILIZACIÓN EN PROCESOS DE BIODIGESTIÓN

(Biocombustibles solidos) Julián Francisco Gamba Gomez1, Edwin Alberto Bulla Pereira2, Fabio Sierra

Vargas3, Carlos Alberto Guerrero Fajardo4

1. Universidad Nacional de Colombia, Grupo de Investigación en Mecanismos de desarrollo limpio y gestión energética MDL&GE, Carrera 45 No 26-85 Facultad de Ingeniera Laboratorio de plantas

térmicas y energías renovables, jfgambag@unal.edu.do 2. Universidad Nacional de Colombia, Grupo de Investigación en Mecanismos de desarrollo limpio y

gestión energética MDL&GE, Carrera 45 No 26-85 Facultad de Ingeniera Laboratorio de plantas térmicas y energías renovables, eabullap@unal.edu.do

3. Universidad Nacional de Colombia, Grupo de Investigación en Mecanismos de desarrollo limpio y gestión energética MDL&GE, Carrera 45 No 26-85 Facultad de Ingeniera Laboratorio de plantas

térmicas y energías renovables, fesierrav@unal.edu.do. 4. Universidad Nacional de Colombia, Grupo de Investigación en Mecanismos de desarrollo limpio y gestión energética MDL&GE, Carrera 45 No 26-85 Facultad de Ciencias, Laboratorio de biocombus-

tibles, caguerrerof@unal.edu.do

1. INTRODUCCION.

La biodigestión es el proceso mediante el cual la biomasa en ausencia de oxigeno es degrada para obtener un gas con alto contenido de metano (CH4) [1] el cual tiene un poder calorífico aproximado de 6 kWh/m3 [2] el cual es aprovechado para la producción energética en motores de combustión interna. El contenido de metano que posee el gas depende en gran medida de los elementos de los que se encuentra constituida la biomasa que se utiliza como materia prima en el proceso [2], con el fin de garantizar rendimientos adecuados en cuanto a produc-ción energética se recomiendan algunos valores adecuados para contenido de ele-mentos como carbono (C), nitrógeno (N), hidrogeno (H) y oxigeno (O) y para con-tenido de humedad, contenido de cenizas y materia volátil. Con el fin de acercar la producción de biogás a la realidad colombiana se analiza-ron tres fuentes de residuos características en la ciudad de Bogotá a las cuales se les midieron las variables antes mencionadas variando algunos parámetros en cuan-to a la recolección y trasporte de los mismos se compararon los datos obtenidos con los valores recomendados por la literatura.

2. MATERIALES Y METODOS. Se tomaron tres fuentes representativas de residuos de la ciudad de Bogotá, sabien-do que las condiciones de almacenamiento y trasporte influyen en las propiedades fisicoquímicas de los residuos se decidió llevar a cabo un experimento factorial fraccionado en el cual se tomó como variable de respuesta las cantidades de los elementos de interés y se analizaron la temperatura de transporte y el tiempo total

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de trasporte como factores el factor de bloqueo, debido a que se presumía que el lugar de procedencia de la biomasa podría influir en la variable de respuesta esta se tomó como un factor de bloqueo a la hora de llevar a cabo el experimento. De cada una de las fuente se recogió una caneca de 55 galones con residuos con el fin de garantizar el proceso de aleatorización al interior de las canecas la biomasa fue esparcida y de ella se tomó un total de 10 kg en bolsas plásticas Ziploc, poste-riormente se realizó el proceso de aleatorización marcando cada una de las mues-tras numerándolas y generando datos aleatorios con el programa Microsoft Excel. Cada una de las muestras se transportó a las instalaciones de la universidad Nacio-nal y allí se realizaron análisis próximo y ultimo a cada una de ellas. Dentro de los materiales se cuentan las canecas de recolección de material, bolsas ZIPLOC para almacenamiento de muestras, neveras para refrigeración, equipos de trituración, crisoles, balanza, horno para secado, disecadores.

3. RESULTADOS Y DISCUSION Dentro de los resultados se encontraron contenidos de humedad del orden del 80%, materia volátil del orden del 73,47 % Cenizas del 4% y carbono fijo del 17.38 %. Dentro de los elementos constitutivos de la materia prima se encontró carbono en un 42.64%, Hidrogeno 6.5%, Oxigeno 46.22%, Nitrógeno 0.97 y azufre en un 0.11% estos porcentajes varían para cada uno de los tratamientos que se asignaron pero se encuentran en ese orden de magnitud. Como resultado del experimento se encontró una fuerte influencia en de la tempe-ratura a la cual se transportan los residuos en las propiedades de los mismos, en cuanto al tiempo total de transporte se encontró que existe algún grado de relevan-cia pero que este puede ser obviado si se maneja una adecuada temperatura de transporte, no se encontró un grado de interacción apreciable entre estos dos facto-res y el factor de bloqueo correspondiente al lugar de procedencia de los residuos no fue significativo a la hora de evaluar los resultados.

4. CONCLUSIONES Como conclusión del estudio se puede decir que los residuos provenientes de las tres fuentes analizadas se pude decir que cada una de las muestras tomadas se en-cuentra en los valores recomendados para la producción de biogás, es necesario hacer hincapié en mantener adecuadas temperaturas de operación a lo hora de transportar este tipo de materiales de no ser posible este proceso se recomienda transportar los residuos en el menor tiempo posible.

5. AGRADECIMIENTOS Y REFERENCIAS [1] Producción de biogás a partir de RSU determinación de la cantidad, calidad y tiempo. German López Martínez. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2011. ISBN: 978-958-8723-24-2 [2] Biogás from Waste and Renewable Resource, Dieter Deublein and Angelika Steinhauser, WILLEY-VCH Verlang GmbH & Co. KGaA. Weinheim 2008.

313

ANÁLISIS DE TENDENCIAS TECNOLOGICAS PARA EL PRO-CESO DE COMBUSTIÓN ECO-EFICIENTE

Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirolisis

M. Sc. Jaqueline Saavedra1, M. Sc. Lourdes Meriño2, Dr. Sc. Viatcheslav Kafarov2

1. Instituto Colombiano del Petróleo. Piedecuesta – Santander. Jaqueline.Saavedra@ecopetrol.com.co 2. Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga – Santander.

Introducción. El potencial de biomasa identificado en el Atlas del Potencial Energético de la Biomasa Residual en Colombia (UIS, UPME e IDEAM, 2010), muestra las opor-tunidades que existen para el aprovechamiento de este importante recurso como fuente de energía y plantea como reto el mejoramiento de la eficiencia de los pro-cesos en los cuales puede ser utilizado. La biomasa residual es un portador energé-tico importante en procesos en los cuales se aprovechan para co-combustión con combustibles fósiles, disminuyendo con esto los costos de los combustibles y mi-nimizando los impactos ambientales. El análisis de tendencias tecnológicas para el proceso de combustión ecoeficiente de la biomasa promisoria para ser utilizada como portador energético, se realizó con técnicas de vigilancia tecnológica, de acuerdo a los parámetros establecidos en la norma UNE 166000 (2006); con el fin de producir información útil para la toma de decisiones productivas en torno a la tecnología y los avance científicos que tendrán incidencia sobre los productos y procesos que desarrollan. Este trabajo se enfoca en analizar las principales tendencias tecnológicas mediante la aplicación de técnicas estadísticas que permiten explorar la evolución en el tiem-po de la aparición de nuevas aplicaciones, materiales, y usos de la tecnología refe-renciada. En segundo lugar, se aplica un proceso de construcción de mapas tec-nológicos, basado en análisis de correspondencias múltiples, y diferentes algorit-mos de clusterización, por una parte, y por la otra, mediante un proceso de análisis basado en técnicas de inteligencia artificial, específicamente, mediante un algorit-mo de Mapas autoorganizados (SOM), todo esto, para identificar tendencias tec-nológicas dominantes en torno al proceso de combustión.

Metodología La metodología que se siguió en el desarrollo de este trabajo tiene los siguientes pasos: 1. Selección de las patentes: Se obtuvieron 238 patentes a partir de las cuales se desarrolló el proceso de análisis de la información.

314

2. Almacenamiento: Para el almacenamiento y la depuración de la información inicial, se utilizaron dos herramientas de la suite Microsoft Office, como lo son Microsoft Word y Microsoft Excel. 3. Procesamiento: Para la elaboración de los mapas tecnológicos, se utilizan dos herramientas, en primer lugar, el análisis de correspondencias múltiples, que brinda un mapa en dos dimensiones que muestra de manera gráfica la distribución de los elementos determinantes de las invenciones, y cómo estos se agrupan, y en segun-do lugar, el análisis con Mapas autoorganizados SOM, consistente en la aplicación de un algoritmo de inteligencia artificial en MATLAB, el cual, además, muestra los vectores dominantes, dentro del universo de patentes analizadas, dando como resul-tado un mapa de clusters, que definen las aplicaciones particulares o las caracterís-ticas determinantes de las patentes analizadas.

Resultados Y Discusión La exploración univariante permite reconocer entre otras cosas, un conjunto de aspectos importantes para la inteligencia competitiva, como lo son los lideres tec-nológicos (países o instituciones que más patentan sobre un tema) como también el crecimiento / decrecimiento de la patentabilidad sobre un tema especifico, esto para detectar tecnologías emergentes o para suponer la maduración y/o la desaparición de otras. En este sentido, es importante iniciar el análisis partiendo del estudio de la evoluci-ón temporal del número de invenciones derivadas y relacionadas con los procesos de combustión ambientalmente eficientes. Para detectar tendencias dominantes se elaboró un mapa con toda la población de patentes. Los grupos de palabras que se encuentra muy cerca en el mapa indican que aparecido de manera conjunta en varias patentes, esto es lo que se conoce co-mo concurrencia.

Conclusiones: Las 3 principales tendencias identificadas en el estudio de patentes relacionadas con procesos de combustión eco-eficientes son: Grupo 1: Compuesto por conceptos como incinerating, organic, material, enhance, waste, wáter, trated, plant, comprise, equipment, recoverable, catalyst, termal, entre otras, este grupo permite establecer que la implantación, de nuevos diseños que incluyan la utilización de residuos y desechos como combustible, se ha convertido en si misma como una tendencia de alto grado de importancia en el proceso de diseño eco-eficiente en el área de combustión. Grupo 2: Compuesto por conceptos como Exhaust, Mixed, Turbine, Engi-ne, Nozzle, Oil, Pulverized, NOx, Gasiffication, Electric, Apliance, Liquid, Boiler, Coal, Fluent, Power, entre otras, permite encontrar que existe un grupo de tenden-cia muy cercano a las condiciones tradicionales de diseño y operación de hornos y

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aparatos de combustión, que empieza a involucrar elementos de aprovechamiento de combustibles tradicionales, via incremento de la eficiencia en combustión, pre-tratamiento de combustibles y la inclusión de elementos ambientales de manejo de residuos y emisiones, en la utilización de los procesos de combustión. Grupo 3: Compuesto por conceptos como Bed, circulated, Exchange, fluid, temperature, ash, heavy, cooling, furnace y meltable, muestran una tendencia en torno a diseños que involucran la fluidodinámica en equipos de combustión, que incluyen combustibles y productos de la combustión.

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Pearson Educación, Madrid, España.

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PROYECTO PILOTO PARA LA PELETIZACIÓN DE BIOMASA RESIDUAL DEL PROCESAMIENTO DE MADERA PARA SU

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO EN EL SECTOR LADRILLERO (LADRILLERA SANTANDER)

Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirolisis

Andrés González Hässig1, Gabriel Fernando Talero2

1. Regeneración Ltda. Director de proyectos, andres.gonzalez@regeneracion.com.co

2. Regeneración Ltda. Ingeniero de proyectos, gabriel.talero@regeneracion.com.co Introducción

La operación de la Ladrillera Santander (ubicada en la vereda Fusunga de

Soacha) usa primordialmente carbón mineral y energía eléctrica en el desarrollo de su actividad productiva, la cual ha aumentado crecientemente en los últimos años. De mantenerse esta tendencia sumado a los crecientes precios de los combustibles, el adecuado manejo de la energía se convierte en un factor determinante de su competitividad.

Consientes de esto, la Ladrillera Santander ha realizado varios ensayos para sustituir el combustible, analizando el uso de diversas biomasas como combustible sustituto, y ha celebrado convenios para el acopio de podas para su aprovechamiento energético, que sumado a la reciente construcción de un horno de cámaras, facilita y flexibiliza el uso de otros combustibles. Incluir la peletización dentro de su proceso productivo para producir su propio combustible a base de residuos los lleva más cerca asegurar la sostenibilidad energética del proceso de producción de ladrillos.

El desarrollo de la factibilidad que se presenta a la ladrillera, es el escalonamiento de una eventual implementación industrial del proyecto piloto. Para su desarrollo, el análisis se limita: a) carbón fino utilizado en el proceso de cocción en los hornos; b) sustitución de un 20% de combustible.

Materiales y Métodos

En el proyecto se realiza la compra, importación e instalación de las maquinas: Molino de Martillo y Peletizadora, además de algunos equipos utilizados en la etapa de pruebas y comisionamiento (equipo de análisis de gases de combustión, máquina para medición del índice de calidad de pellets), Figura 1.

Figura 1. Molino de martillo, peletizadora, analizador de gases de combustión, medición PID

Los pellets fabricados posteriormente son quemados en un horno de cámaras disponible en la ladrillera. En dicho horno se controlan variables como la temperatura del horno, emisiones, combustible consumido, entre otros.

Resultados y discusión

Las pruebas realizadas en los hornos y la caracterización de los diferentes combustibles, permiten concluir que el uso de biomasas en el horno de cámaras con una sustitución del 20% de combustible, no genera cambios significativos en el desempeño del horno y en algunos escenarios mejora las condiciones al aumentar la eficiencia del proceso.

Figura 2. Curvas de temperatura en horno, pellets fabricados, escalonamiento de sustitución El escalonamiento de la planta a una productividad de 1 tonelada/hora,

corresponde a la opción más adecuada en caso de querer incursionar en el proceso de peletizado a nivel industrial, razón por la que no se recomienda a la ladrillera Santander satisfacer dicho escalonamiento, sino garantizar la implementación de una entidad externa a la ladrillera (con la experiencia y disponibilidad suficiente, ya que no es el mercado de la ladrillera la fabricación de pellets) que realice el suministro de dicho biocombustible.

Conclusiones

Dentro de todas las pruebas realizadas, se observa que el mejor material para

realizar la sustitución de carbón por biomasa, corresponde al aserrín, ya que requiere un menor consumo energético de las maquinas, permite una mayor productividad y posee propiedades más regulares de humedad, variables que se ven reflejadas en un menor costo de producción una menor relación de precio por mega joule. Con esta muestra se observo y registro un correcto funcionamiento de los hornos y una buena calidad en los ladrillos producidos, con lo que se puede garantizar un adecuado funcionamiento con el escenario planteado en la prueba con 20% de aserrín. Agradecimientos: A los patrocinadores del proyecto: OPEN “Oportunidades de mercado para energía limpias y eficiencia energética”, Caem “Corporación ambiental empresarial”, BID, FOMIN, Cámara de comercio de Bogotá, Regeneración Ltda. Referencias a. R. Ltda., E. Energ, and N. R. Atn, FACTIBILIDAD DEL PROYECTO: Proyecto piloto para la

peletizacion de biomasa residual del procesamiento de madera para su aprovechamiento energetico en la fuente. 2011, p. 56.

SIMULACION BIDIMENSIONAL POR ELEMENTOS FINITOS DE LA TORREFACCIÓN DE UNA PARTÍCULA DE BIOMASA MEDIANTE

UN MECANISMO DE PIROLISIS LENTA UTILIZANDO ELMER GUI Biocombustibles sólidos: combustión, gasificación y pirolisis

Juan Miguel Mantilla1, Gabriel Fernando Talero2

1. Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá, jmmantillag@unal.edu.co

2. Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá, gftaleror@unal.edu.co Introducción

El proceso de torrefacción es uno de los últimos métodos para aumentar el grado

de densificación en el peletizado de biomasas y aunque ha sido trabajado desde principios del siglo XX, recientemente ha ganado un enorme interés en la producción de biocombustibles debido a que puede reducir la humedad inicial de la biomasa y permitir un mayor grado de compactación (genera poros intersticiales en la biomasa, la cual se compacta con más facilidad).

La torrefacción de biomasas consiste en un proceso de pirolisis lenta (a presión ambiente y a temperaturas inferiores a 350°C) en el cual la biomasa es degradada a tal punto de generar carbol vegetal, una serie de gases (especialmente CO, CO2, Fenol y Acido acético) y eliminando gran parte de la humedad de la misma. El fin último del implementar un modelo matemático del proceso de torrefacción es poseer una herramienta virtual para simular dicho proceso y comprender las diferentes variables que afectan su rendimiento. Materiales y Métodos

El desarrollo del proyecto consiste en simular el proceso de torrefacción dividiéndolo en la simulación física y química (Fig.1) de una partícula, y un acople posterior de estos a un flujo de N2 con bajo número de Re y de Ma a presión ambiente. Para fines prácticos, el modelo se reduce a un plano bidimensional.

Figura 1. Mecanismo de reacción de y Chin con el mecanismo de Di Blasis

Para la simulación química del proceso de pirolisis lenta, se utiliza el mecanismo de reacción de Shafizadeh y Chin (a) combinado con el mecanismo de reacción de Di Blasi. El mecanismo consiste en la degradación de la madera la cual genera principalmente gases de pirolisis, alquitranes y carbón vegetal; la adición del mecanismo de Di Blasi supone adicionalmente que los alquitranes se descomponen en gases de pirolisis y en carbón vegetal.

Resultados y discusión

Aunque actualmente no se ha desarrollado el acople térmico y químico del modelo, se ha realizado la comprobación del mecanismo de reacción con un modelo simple de transferencia de calor en un reactor a volumen constante. En el mecanismo de reacción, se observa que el tiempo de descomposición de la madera varia fuertemente en función de la temperatura, mostrando una fuerte tendencia a descomponerse totalmente entre 10 y 30 minutos, para un rango de temperatura entre 100 y 350 grados centígrados.

Figura 2. Fracciones molares y velocidad de reacción del mecanismo de Chin y Di Blasi

En la simulación del modelo físico utilizando Elmer GUI se registra un tiempo de respuesta del orden de segundos, razón por la que en el acople térmico y químico del modelo las variables físicas priman al momento de realizar la solución del sistema de ecuaciones planteado.

Figura 3. Resultado de simulación de transferencia de calor y Navier Stokes en Elmer GUI

Conclusiones Se observa un aumento exponencial de la velocidad de reacción al aumentar la

temperatura en un rango de temperatura superior a 250°C. Cuando el reactor supera los 400°C, se observa una descomposición casi inmediata de la madera (inferior a 1 segundo). Adicionalmente, se resalta que al iniciar la descomposición de la madera se libera una cantidad de energía considerable, la cual ocasiona un aumento en la temperatura en el reactor. Referencias a. Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels: A review - M.J.C. van der Stelt a,

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