Síntesis de esquemas tecnológicos integrados para la producción biotecnológica de alcohol carburante a partir de tres materias primas colombianas

摘要

A pesar de que la producción de alcohol carburante se ha documentado ampliamente y escalado a nivel industrial empleando como materias primas principalmente caña de azúcar y maíz, el proceso está aún lejos de la eficiencia considerando aspectos técnicos, económicos y ambientales. De otro lado, el impacto de tecnologías en desarrollo sobre el desempeño y eficiencia del proceso global de producción de alcohol carburante, lo mismo que sobre sus costos, no se ha podido establecer ya que no se conocen completamente las relaciones entre las diferentes etapas de proceso inherentes a estas tecnologías. El objetivo de la presente tesis fue sintetizar esquemas tecnológicos integrados para la producción biotecnológica de alcohol carburante a partir de tres tipos de materias primas de tal forma que exhiban un alto desempeño técnico, económico y ambiental. En esta investigación se llevó a cabo la selección, aplicación y extensión de dos estrategias para la síntesis de procesos orientada al diseño conceptual del proceso de producción de bioetanol. Para ello se desarrollaron modelos matemáticos y algoritmos de cálculo para la descripción de las etapas de proceso involucradas en la producción de bioetanol. En particular, se desarrolló un modelo riguroso para el proceso de fermentación extractiva, así como un método aproximado para su análisis. Se desarrolló un procedimiento de generación sistemática de alternativas usando el enfoque heurístico jerárquico el cual se aplicó a la producción de alcohol carburante a partir de tres tipos de materias primas. La metodología de síntesis, basada en el modelamiento y simulación de procesos, hizo énfasis en el empleo de procesos integrados (especialmente procesos de integración reacción-reacción). Se abordó el problema de sintetizar configuraciones tecnológicas óptimas a través de la formulación de un modelo de programación matemática del tipo de MINLP a ser resuelto mediante un procedimiento estocástico de optimización. Se resolvió el problema de MINLP formulado para el caso de la producción de etanol a partir de caña de azúcar y de biomasa lignocelulósica empleando Jacaranda, un sistema orientado a objetos para el diseño automatizado de procesos. Las soluciones encontradas mostraron un alto desempeño considerando una función multiobjetivo que involucró criterios tecno-económicos y ambientales. Los resultados obtenidos demostraron la utilidad y el potencial del enfoque metodológico propuesto para la síntesis de procesos de producción de bioetanol. Finalmente, los resultados de este trabajo permitieron determinar algunos aspectos clave del proceso que deben ser mejorados en el corto y medio plazo / Abstract: Despite the fuel ethanol production has been widely documented and scaled-up at industrial level using as feedstocks mainly sugar cane and starch, the process is far from the effectiveness considering technical, economic and environmental aspects. On the other hand, the impact of specific currently developing technologies on the performance and efficiency of the overall fuel ethanol production process, as well as on its costs, cannot be clearly established since the relationships among the different process steps inherent to these technologies are not completely known. The objective of the present thesis was to synthesize integrated process flowsheets for the biotechnological production of fuel ethanol from three types of feedstocks in such a way that these flowsheets exhibit a high technical, economic and environmental performance. In this research, the selection, application and extension of two strategies for process synthesis aimed at the conceptual design of the fuel ethanol production process were carried out. For this, mathematical models and calculation algorithms were developed for the description of the processing steps involved in bioethanol production. In particular, a rigorous model for extractive fermentation process was developed as well as a short-cut method for its analysis. A procedure for systematic generation of alternatives using the hierarchical heuristic approach was developed and applied to the production of fuel ethanol from three types of feedstocks. The synthesis methodology, based on process modeling and simulation, emphasized the utilization of integrated processes (particularly, reactionreaction integration processes). The problem of synthesizing optimal technological configurations was undertaken through the formulation of a mathematical programming model of the MINLP type to be solved through a stochastic optimization procedure. A superstructure that makes use of both detailed and short-cut models was implemented. Specific calculation procedures and interfacing methods were developed. The formulated MINLP problem for the case of ethanol production from sugar cane and lignocellulosic biomass was solved using Jacaranda, an object oriented framework for automated design. The solutions found showed a high performance considering a multiobjective function involving techno-economical and environmental criteria. The results obtained demonstrated the usefulness and potential of the proposed methodological approach for the synthesis of bioetanol production processes. This framework may be applied to other systems and synthesis problems. Finally, the results of this work allowed determining some key features of ethanol production processes to be improved in the near future.