Evaluación integral de biorrefinerías de caña de azúcar - Anaya Reza, Omar (Universidad Autónoma Metropolitana, 2018)
La biomasa es una de las materias primas más prometedoras utilizada en una biorrefinería, ya que produce un balance neutro de CO2. Mientras que la bioeconomía es un nuevo enfoque que enfatiza el uso eficiente y sostenible de la biomasa para obtener productos químicos, materiales, y energía. Algunos productos químicos de base biológica como aminoácidos, enzimas, ácidos orgánicos, antibióticos son excelentes ejemplos de la utilización de procesos biológicos para una gran escala sostenible y económica producción. El principal objetivo de este trabajo es presentar y analizar el diseño (como selección de insumos, equipo, operaciones y método de operación), operación (diagrama del proceso), síntesis (configuración del proceso) y evaluación integral (mediante criterios técnicos, económicos y ambientales) del proceso de producción en una biorrefinería de melaza de caña de azúcar. Las principales contribuciones son: (i) el desarrollo de estrategias de operación para un reactor de fermentación con el fin de aumentar el rendimiento y la productividad del producto, y (ii) la propuesta de una metodología de evaluación técnico-económica y ambiental detallada, útil para decidir la rentabilidad y sostenibilidad de un bioproceso industrial. La metodología se basa en un enfoque sistemático, empleando herramientas de modelado y simulación, que apoyan la toma de decisiones en la etapa inicial del diseño de una biorrefinería. La metodología considera dos pasos de análisis: en primer lugar, el análisis dinámico de la etapa reactiva. Aquí se estudia el efecto de las condiciones de operación sobre los criterios técnicos, en segundo lugar, se realiza el análisis del proceso de producción industrial, en el que se incluyen la etapa reactiva junto con los procesos corriente arriba y corriente abajo. En este segundo análisis se estudia la influencia del modo de operación y la capacidad instalada de la planta sobre el rendimiento global de la biorrefinería. La metodología se aplica a varios escenarios en una biorrefinería de melaza de caña de azúcar para producir L-lisina, ácido láctico y polihidroxibutirato. La influencia de los parámetros clave en el desarrollo de los procesos es crucial en la evaluación de criterios técnicos, económicos y ambientales, para determinar un diseño rentable y sostenible de la biorrefinería. De los casos estudiados, el mejor diseño de biorrefinería se logra para el proceso de producción de ácido láctico, obteniendo como criterios técnicos: máximo rendimiento de YOP = 0.97 kg/kg y productividad de Pr = 1.7 kg/L/h; como económicos: máximos retorno sobre la inversión de RSI = 62.2% y periodo de recuperación de PR = 1.61 años; y finalmente como criterios ambientales: un gasto energético de E = 0.29 MJ/Kg y un índice de impacto ambiental de PEI= 0.18 PEI/kg. Los resultados determinan las regiones de operación para lograr un diseño conceptual de una biorrefinería que sea rentable con bajo impacto ambiental.; Biomass is one of the most promising raw materials used in a biorefinery, as it produces a neutral balance of CO2. While bioeconomics is a new approach that emphasizes sustainable use of biomass to produce chemicals, materials, and energy. Some biological-based chemicals such as amino acids, enzymes, organic acids, antibiotics are excellent examples of the use of biological processes for large-scale sustainable and economical production. The main objective of this work is to present and analyze the design (such as selection of inputs, equipment, operations and operating method), operation (process diagram), synthesis (process configuration) and comprehensive evaluation (using technical, economic and environmental criteria) of the production process in a sugar cane molasses biorefinery. The main contributions are: (i) the development of operation strategies for a fermentation reactor in order to increase the product yield and productivity, and (ii) the proposal of a detailed methodology of the technicaleconomic and environmental evaluation, useful for decide the profitability and sustainability of an industrial bioprocess. The methodology is based on a systematic approach, using modeling and simulation tools, which support decision making in the initial stage of the design of a biorefinery. The methodology considers two steps of analysis: first, the dynamic analysis of the reactive stage. Here the effect of the operating conditions on the technical criteria is studied. Secondly, the analysis of the industrial production process is carried out, in which the reactive stage is included together with the upstream and downstream processes. In this second analysis, the influence of the mode of operation and the installed capacity of the plant on the overall performance of the biorefinery is studied. The methodology is applied to several scenarios in a sugar cane molasses biorefinery to produce L-lysine, lactic acid and polyhydroxybutyrate. The influence of the key parameters in the development of the processes is crucial in the evaluation of technical, economic and environmental criteria, to determine a profitable and sustainable design of the biorefinery. From the cases studied, the best biorefinery design is achieved for the production process of lactic acid, obtaining as technical criteria: maximum yield of YOP = 0.97 kg/kg and productivity of Pr = 1.7 kg/L/h); as economic criteria: maximum return on investment of RSI = 62.2% and recovery period of PR = 1.61 years; and finally, as environmental criteria: an energy consumption of E = 0.29 MJ/Kg and environmental impact index of PEI = 0.18 PEI/kg. The results determine the operation regions to achieve a conceptual design of a biorefinery that is profitable with low environmental impact.