Natalia Orozco, FELIPE BUSTAMANTE GRUPO CATÁLISIS AMBIENTAL

1. Integración de un pervaporador con membranas selectivas a etanol a un proceso de sacarificación-fermentación simultánea Natalia Orozco, FELIPE BUSTAMANTE GRUPO CATÁLISIS AMBIENTAL Departamento de Ingeniería Química Universidad de Antioquia Agosto 1, 2014

2. CONTENIDO

3. INTRODUCCIÓN

4. PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA (SISTEMA CONVENCIONAL) INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA D E S T I L A C I Ó N ALMIDÓN ETANOL

5. PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA (SSF) INTRODUCCIÓN REMOCIÓN IN SITU DE ETANOL ALMIDÓN ETANOL PERVAPORACIÓN REDUCCIÓN DE EQUIPOS Y TIEMPO DE PROCESO INCREMENTOS EN LA PRODUCTIVIDAD REDUCCIÓN DE COSTOS ENERGÉTICOS

6. PERVAPORACIÓN INTRODUCCIÓN PERVAPORACIÓN = PERMEACIÓN + EVAPORACIÓN LÍQUIDO VAPOR RETENIDO ESPECIE 1 ESPECIE 2 PERMEADO ALIMENTO MEMBRANA SELECTIVA A LA ESPECIE 1

7. MEMBRANAS UTILIZADAS PARA LA REMOCIÓN SELECTIVA DE ETANOL INTRODUCCIÓN MEMBRANAS HIDROFÓBICAS

8. MEMBRANAS POLIMÉRICAS INTRODUCCIÓN

9. MEMBRANAS INORGÁNICAS INTRODUCCIÓN

10. MEMBRANAS COMPUESTAS INTRODUCCIÓN

11. OBJETIVOS

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

13. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

14. MEMBRANAS SINTETIZADAS METODOLOGÍA EXPERIMENTAL SINTESIS HIDROTÉRMICA DIRECTA SECADA Y CALCINADA 21SiO2:788H2O:3NaOH:1TPABr Membranas de Silicalita SOPORTE Discos de acero inoxidable poroso 316L (5.6 cm de diámetro y tamaño de poro promedio de 2 μm) Membranas Compuestas Multicapas RECUBRIMIENTO DE MEMBRANA DE SILICALITA CURADO 150ºC x 15 min Spin Coating a 1000 rpm. Membranas de PDMS SOLUCIÓN POLIMÉRICA RTV615A y RTV615B (10:1 en tolueno) RECUBRIMIENTO DEL SOPORTE CURADO 150ºC x 15 min Spin Coating a 1000 rpm. Membrana compuesta mezclada MEZCLA CON POLVO DE SILICALITA (Malla 120) RECUBRIMIENTO DEL SOPORTE CURADO 150ºC x 15 min Spin Coating a 1000 rpm.

15. SISTEMA DE PERVAPORACIÓN A ESCALA LABORATORIO METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 100 ml/min 36ºC MezclasEtanol-Agua (5-12% p/p EtOH) Caldos de fermentación (10-11% p/p EtOH) Aef: 23 cm2 Cromatógrafo de gases equipado con unacolumna DB-WAX.

16. SISTEMA DE PERVAPORACIÓN A ESCALA LABORATORIO METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

17. SISTEMA ACOPLADO SSF-PERVAPORADOR A ESCALA LABORATORIO METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Enzimas Thermamyl y AMG, Levadura ETHANOL REDTM, 36°C de temperatura, pH de 4,5 y agitación de 500rpm.

18. CARACTERIZACIÓN DE LAS MEMBRANAS PREPARADAS MEMBRANAS POLIMÉRICAS DE PDMS MEMBRANAS INORGÁNICAS DE SILICALITA MEMBRANAS COMPUESTAS MEZCLADAS MEMBRANAS COMPUESTAS MULTICAPAS

19. MEMBRANAS POLIMÉRICAS DE PDMS CARACTERIZACIÓN 5500 mg PDMS/mL Tolueno Espesor: 130 mm 500 mg PDMS/mL Tolueno Espesor: 10 mm 1000 mg PDMS/mL Tolueno Espesor: 27.7 mm Análisis SEM Medidas de espesor

20. MEMBRANAS INORGÁNICAS DE SILICALITA CARACTERIZACIÓN Medida de espesor Espesor: 57.1 mm Análisis Superficial Análisis SEM

21. MEMBRANAS COMPUESTAS MEZCLADAS CARACTERIZACIÓN Análisis Superficial Medida de espesor Espesor: 39.5 mm 20%p/p silicalita 50%p/p silicalita Análisis SEM

22. MEMBRANAS COMPUESTAS MULTICAPAS CARACTERIZACIÓN Medida de espesor Análisis Superficial Espesor total: 83.6 mm Capa PDMS: 20.37 mm Capa Silicalita: 54.37 mm Análisis SEM

23. PRUEBAS DE SELECTIVIDAD PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON MEZCLAS ETANOL-AGUA PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON CALDOS DE FERMENTACIÓN INTEGRACIÓN DE MEMBRANAS SELECTIVAS A ETANOL POR PERVAPORACIÓN AL PROCESO SSF

24. PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON MEZCLAS ETANOL-AGUA PRUEBAS DE SELECTIVIDAD 39.5 µm 27.7 µm ♦ Membranas de PDMS: Factor de Separación: 2.02. Concentración de etanol en el permeado: 9.72 % p/p. Permeancia: 0,14 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Mezcladas: Factor de Separación: 5.20. Concentración de etanol en el permeado: 42.35 % p/p. Permeancia: 0.095Kgm-2h-1bar. ▲

25. PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON MEZCLAS ETANOL-AGUA PRUEBAS DE SELECTIVIDAD 81.77% p/p EtOH 83.6 µm 57.1 µm Membranas de Silicalita: Factor de Separación: 28.01. Concentración de etanol en el permeado: 59.12 % p/p. Permeancia: 5.68 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Multicapas: Factor de Separación: 31.41. Concentración de etanol en el permeado: 81.77% p/p. Permeancia: 5.38 Kgm-2h-1bar. *

26. PRUEBAS DE PERVAPORACIÓN CON CALDOS DE FERMENTACIÓN PRUEBAS DE SELECTIVIDAD 77.41% p/p EtOH 73.31% p/p EtOH Membranas de Silicalita: Factor de Separación: 21.92. Concentración de etanol en el permeado: 73.31% p/p. Permeancia: 5.42 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Multicapas: Factor de Separación: 26.46. Concentración de etanol en el permeado: 77.41% p/p. Permeancia: 5.02Kgm-2h-1bar. *

27. INTEGRACIÓN DE MEMBRANAS SELECTIVAS A ETANOL POR PERVAPORACIÓN AL PROCESO SSF PRUEBAS DE SELECTIVIDAD 77.41% p/p EtOH Caldos de Fermentación 71.53% p/p EtOH Sistema Acoplado ● Membranas Compuestas Multicapas – Sistema Acoplado: Factor de Separación: 24.75. Concentración de etanol en el permeado: 71.53% p/p. Permeancia: 3.25 Kgm-2h-1bar. Membranas Compuestas Multicapas – Caldos de Fermentación: Factor de Separación: 26.46. Concentración de etanol en el permeado: 77.41% p/p. Permeancia: 5.02Kgm-2h-1bar. *

28. SSF CON Y SIN REMOCIÓN IN-SITU DE ETANOL PRUEBAS DE SELECTIVIDAD

29. SSF CON Y SIN REMOCIÓN IN-SITU DE ETANOL PRUEBAS DE SELECTIVIDAD 3% Con base en los resultados obtenidos en este trabajo se estimó que el área efectiva requerida de membrana para aumentar la productividad de la SSF en un 10% es del orden de 118 cm2. (Diámetro 12 cm) 4%* *O.J. Sánchez, C.A. Cardona, D.C. Cubides. “Modeling of SSF coupled with pervaporation for fuel ethanol production”. 2nd Mercosur Congress on Chemical Engineering and 4th Mercosur Congress on Process Systems Engineering. Costa Verde, Rio de Janeiro, Brasil. 2005.

30. PRUEBAS DE DURABILIDAD PRUEBAS DE SELECTIVIDAD Factor de separación: (*) caldos de fermentación (de 26.46 a 16.04), (●) sistema acoplado (de 24.75 a 7.19). Permeancia: (▲) caldo de fermentación (de 5.02 Kgm-2h-1bar a 1.54 Kgm-2h-1bar), (■) sistema acoplado (de 3.25 Kgm-2h-1bar a 0.60 Kgm-2h-1bar).

31. CONCLUSIONES Se prepararon membranas poliméricas (PDMS), inorgánicas (Silicalita) y mezcladas (PDMS+Silicalita) sobre acero inoxidable poroso, con espesores de 27,7 µm para las membranas de PDMS, 57,1 µm para las membranas de silicalita, y 39,5 y 83,6 µm para las membranas compuestas. Las membranas compuestas multicapas son más selectivas a etanol, con concentraciones de etanol en el permeado hasta del 81,77% p/p y 77,41% p/p en mezclas agua-etanol y caldos de fermentación, respectivamente. Concentraciones de etanol en el permeado de 71,53% p/p fueron obtenidas al acoplar una membrana compuesta multicapas de silicalita-PDMS a un proceso de sacarificación-fermentación simultánea. La alta concentración de etanol en el permeado puede disminuir los costos energéticos de purificación de etanol. La integración del proceso de sacarificación-fermentación simultánea a un sistema de remoción in situ de etanol utilizando membranas compuestas multicapas de silicalita-PDMS mostró incrementos del 3% en la productividad del proceso. Aunque el incremento en la productividad es modesto –debido principalmente al área relativamente pequeña de la membrana usada–, se valida experimentalmente el concepto del sistema integrado SSF + membrana. Con la optimización de esta tecnología (por ejemplo, área efectiva de la membrana y configuración del módulo de pervaporación) es posible alcanzar aumentos más significativos en la productividad del proceso.

32. AGRADECIMIENTOS Universidad de Antioquia Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural por la financiación de este trabajo a través del proyecto “Diseño de Proceso de producción de alcohol carburante a partir de Almidón de yuca utilizando la metodología de Sacarificación-Fermentación Simultánea, usando membranas para la remoción in situ de etanol” Grupo de Biotransformación por su colaboración con el acople del módulo de pervaporación al sistema de sacarificación-fermentación simultánea CIDEMAT por su ayuda en la preparación y caracterización de los recubrimientos

33. MUCHAS GRACIAS