Propuesta técnica-económica para la producción de biocombustibles a partir de microalgas en una...

Propuesta técnica-económica para la producción de biocombustibles a partir de microalgas en una planta piloto

Dra. Sharon Velasquez-OrtaLecturer in Chemical Engineering

21 Agosto, 2015

Agenda

1. Introducción

2. Meta de la investigación y objetivos

3. Selección de biocombustibles

4. Selección de procesos

5. Diseño de los procesos principales Crecimiento Cosecha Lisis Hidrólisis Fermentación Columna de destilación

6. Concepto aplicable de la planta piloto

7. Análisis económico inicial

8. Consideraciones en México

9. Conclusiones

10. Trabajo futuro

Investigación

2004: Licenciatura en Ingeniería química (Universidad La Salle, México) Maestría en Ingeniería ambiental (UNAM, México) Doctorado en Ciencias Ambientales (CEG, Newcastle) Posdoctorado en Ingeniería química (CEAM, Newcastle) Investigadora en Ingeniería química (CEAM, Newcastle)

Introducción

Materia prima

(Biopolímeros)

Productos químicos

(Acido acético, acido fórmico)

Evaluaciones de la contaminación

Monitoreo de la contaminación

Recuperación de residuos

Energía(Metano,Biodiesel, Bioetanol)

Sistemas bioelectroquímicos

Tecnología algal

EvaluaciónTecno-económica

Introducción

El uso energético en el tratamiento de agua potable y agua residual

Water TreatedWater

Velasquez-Orta et al., in preparation

Introducción

Energía usada y emisiones de CO2 en el tratamiento de agua

El tratamiento aerobio de lodos activados es el sistema convencional usado mayormente para el tratamiento de las aguas residuales.

Se estima que la energía global para el tratamiento de agua residual incrementará en un 44% entre el 2006 y el 2030 (WWDR, 2012)

Las emisiones de CO2 del tratamiento de agua potable y residual fue el 0.9% de la huella de carbono total en el Reino Unido en el 2011 (Water UK, 2012).

Las emisiones calculadas de CO2 son de 0.28 – 0.6 tCO2e/ML (Foley et al., 2010)

Introducción

Situación energética

(BP, 2014)

Introducción

Consumo de energía global en el 2013

Emisiones de dióxido de carbono

(Zhu, 2015)

Situación energética

41 años1.2 trillones de

barriles

63 años16.1 trillones de metros cúbicos

147 años909.1 billones

toneladas

Petróleo

Gas natural

Carbón

Reservas de crudo y gas en el 2013

Introducción

(Zhu, 2015 ; BP, 2014)

Cambio Climático y EnergíaIntroducción

Energía y agua residual

Introducción

Velasquez-Orta, 2012

El uso de microalgas en el tratamiento de agua residual

Las microalgas que crecen en aguas residuales podrían tener una productividad de 505 mg L-1 día-1 de lípidos (Kong et al. 2010; Pittman et al. 2011),

Ejemplos de tratamientos a partir de microalgas : Lagunas de alta tasa (Park et al. in press), sistema de canales(Craggs et al. 1997) y fotobioreactores(Jacob-Lopes et al. 2010)

La combinación de microalgas con bacterias en tanques de aereación puede ser una manera efectiva de incrementar las efieiencias de tratamiento y reducir las emisiones de CO2.

Oswald et al., 1952

Introducción

El uso de microalgas como fuente de biocombustible

Más del 33% del maíz consumido en México es importado

805 milliones de personas en el mundo se encuentran en estado de desnutrición (Food and Agriculture Organisation of the United Nations, 2014)

750 millones de personas no tienen acceso seguro al agua (United Nations Inter-Agency Mechanism on all Freshwater Related Issues, Including Sanitation, 2013).

Introducción

Uso de microalgas como fuente de biocombustibles

Ventajas: Alto crecimiento y regeneración (horas) Se puede cultivar en tierra no fértil con agua residual o

de mar Puede llegar a tener una gran cantidad de lípidos (20-

50% peso seco), carbohidratos (20-50% peso seco) y proteinas (20-50% peso seco) (Chisti, 2007)

Crecimiento a partir de dióxido de carbono

Desventajas: La economía del proceso es incierta Se requiere la adición de nutrientes para tener

cantidades altas de microalgas

Introducción

Pavel Škaloud, 2007

Mata et al., 2010

Cultivo de microalgas

Cosecha

Fracciones bioquímicas

Biodiesel

CO2 Nutrients

Pasta algal (15-25% TSS)

Efluente algal (2-7% TSS)

Lípidos

ReciclajeDenutrientes

BioetanolBiobutanol Hidrógeno Metano Bioelectricidad

Carbohidratos biomasa Bioturbosina

Introducción

Uso de microalgas como fuente de biocombustibles

Concepto de una biorefinería para el uso de microalgas

Biorefinería: un proceso industrial en el que la biomasa es convertida a una serie de productos energéticos, productos materiales o productos químicos.

Procesos primarios: pre-tratamiento y separación

Procesos secundarios: Conversión de biomasa a los productos finales. Zhu, 2015

Introducción

Ejemplos de biorefinerías en México

Sacramento-Rivero et al., 2010

Introducción

Investigación realizada

Meta:

Evaluación técnica-económica de un proceso de generación de biocombustibles a partir de microalgas.

Objetivos:

1. Evaluación de la producción de biodiesel, bioetanol y/o biogas a partir de microalgas.

2. Determinación de las unidades de operación que se requieren para la producción de biocombustibles a partir de las microalgas.

3. Llevar a cabo los balances de materia y definir cantidades de producción.

4. Diseñar y realizar el análisis económico de una planta piloto

5. Escribir una propuesta para instalación de una planta piloto cerca del ex-lago de Texcoco.

Introducción

Selección de biocombustibles

Atributos

Selección de biocombustibles

Selección de microalgas

Proteína Carbohidrato LípidoMaterial

celular

Cantidad 29% 20% 30% 21%

Dragone et al., 2010

Komolafe et al., 2014

Biorefinería: procesos primarios

Lagunas facultativas con recirculación localizadas en el ex-lago de Texcoco

Producción natural de microalgas a partir de 0.025 m3/s de agua residual

Incorporación de: Lagunas para crecimiento de microalgas Cosecha de microalgas Lisis de las microalgas

Selección de procesos

Procesos primarios

Procesos secundarios

Crecimiento de microalgas

Laguna Algal de Alta

Tasa (HRAP)

Fotobioreactores

Ventajas Fácil de construir Económica Eficiente para la

producción a mediana-alta escala

Bajo consumo de energía

No se contamina facilmente

Las condiciones de operación se pueden controlar adecuadamente

Desventajas Vulnerable a la contaminación

Las condiciones de operación no son fáciles de controlar

Pérdida de agua debido a la evaporación

Costoso Volúmenes altos

de microalgas pueden dañar a las células

Alto consumo energético


Crecimiento de microalgas

Lagunas de alta tasa, características:

Profundidad : 0. 4m

Flujo volumétrico: 0.025 m3/s

Velocidad de flujo: 0.2 m/s

Material de construcción: PVC

Tiempo de retención hidráulica: 7 días

Concentración algal : 0.7 g/L

Dimensiones: 500 m x 60 m x 0.4 m

Superficie necesaria: 3 ha

HRAPComponents (kg/day) Inlet OutletWaste water 2074015 2074015Microalgae Inoculum 1613.12Cell debris CO2 Sulphuric acid

Carbohydrates Biomass Sugars Proteins Biomass Aminoacids Lipids Biomass Fatty acid Glycerol Ethanol Base yeast Entrainer VSS Methane CH4

Total 2074015 2075628

Diseño de procesos

Cosecha de microalgas

Métodos de cosecha

Concentración sólidos (%)

Eficiencia de recuperación

Consumo energético

Observaciones

Sedimentación 0.5-3 10-90% 0.1kWh/m³ para lograr una

concentración de 1-3%SST

Método sencillo y de bajo costo Diseños nuevos para mejorar el proceso

(Conos inclinados)

Centrifugación 12-22 80-90% (2-5min

operación)

8kWh/m³ Apta para diferentes especies de microalgas

Alta eficiencia de recuperación Tiempos cortos de operación

FiltraciónMicrofiltración

5-27 95% 0.9-2.23kWh/m³ Alta recuperación Reducción del consumo energético en

un 80-95%, comparado con la centrifugación y la filtración de espuma

Flotación por aire disuelto

3-6 50-90% 7.6kWh/m³ Factible para aplicaciones a gran escala Bajo costo Requerimientos limitados de espacio

Tiempos de operación cortos

Ozoflotación 1-20 70% 9.1kWh/m³ No requiere la adición de coagulantes Ruptura celular

Adaptado de Barros (2015), Brennan (2010), Chen (2011), Gerardo (2015), Nava (2014), Pragya (2013), Rodriguez (2015), Uduman (2010), Weschles (2014).


Cosecha de microalgas

Velocidad de

sedimentación: 0.02 m/h

Tiempo de retención hidráulica: 2 d

Dimensiones sedimentador:

140 m x 60 m x 1 m

Superficie necesaria: 0.8 ha

Recuperación: 90%

Concentración algal: 10 g/L

---------------------------------------------------

Dósis de ozoflotación: 45 mg O3/L

Tiempo de retención hidráulica: 5 min

Dimensiones: Dia=0.37 m L=1 m

Recuperación: 70%

Concentración algal: 200 g/L

Sedimentation OzoflotationComponents (kg/day) Inlet Outlet Inlet OutletWaste water 2074015 145181 145181 5081.34Microalgae 1613.1 1451.8 1451.81 1016.27Cell debris CO2 Sulphuric acid Carbohydrates Biomass Sugars Proteins Biomass Amino acids Lipids Biomass Fatty acid Glycerol Ethanol Base Yeast Entrainer VSS Methane CH4

Total 2075628 146633 146633 6098

Diseño de procesos

Lisis de microalgas

Técnica de disrupción

Substrate & experimental

conditions

Energy consumption

MJ.(kg dry mass)-1

Scale of use References

Homogenizador Chlorococcum sp (200 mL, 8.5 kgm-3, 2.5 kW, 6min,

High)

529 Laboratory,industrial

Halim et al. (2012)

Homogenizador Saccharomyces cerevisiae (0.8 L, 10 kgm-3, 600 W, 15

min, medium)


Shirgaonkar et al. (1998)

Molino Botryococcus, Chlorella, Scenedesmus (100 mL, 5kgm-3, 840 W, 5 min,

high)


Lee et al. comparison, (2010)

Microondas Botryococcus, Chlorella, Scenedesmus (100 mL, 5kgm-3, 700 W, 5 min,

high)


Lee et al., comparison, (2010)

Liofilizador Mathematical modelling on an industrial scale

140 (modelled) Laboratory, industrial

Ratti (2001)

Cavitación hidrodinámica

Saccharomyces cerevisiae (50 L, 10 kgm-3, 5.5 kW, 50

min, medium)

33 Laboratory, pilot scale

Balasubramanian (2001)


Adaptada de Salam, 2015

Lisis de microalgas

Homogenizador Se seleccionó un homogenizador para el

rompimiento de las células microalgales a base de presión

Mass Balance(kg/day) Homogenisation

Components In Out

Waste water 5081.34 5081.34

Microalgae 1016.27 0.00

Cell debris 213.42

CO2

Sulphuric acid

Carbohydrates Biomass 203.25

Sugars

Proteins Biomass 294.72

Amino acids

Lipids Biomass 304.88

Fatty acid

Glycerol

Ethanol

Base

yeast

Entrainer

VSS

Methane CH4

Total (kg/day) 6097.60 6097.60

Doran et al., 2013

Diseño de procesos

Lisis de microalgas

1.2 m

0.9 m

0.6 m

Presión de homogenización: 300 bar Presión de salida: 2 bar Temperatura de salida: 28oC

0.53 0.530.0001

(Bialas & Jankowski, 2007)1 300 2 2.7183

Diseño de procesos

Biorefinería: procesos secundarios

Transformación de la biomasa a bioetanol con una producción de 150 l/día en un sistema semi-continuo Hidrólisis Filtración Fermentación Destilación

Procesos primarios

Procesos secundarios

Hidrólisis

Tecnología Ventajas Desventajas

Hidrólisis biológica Bajo costo en equipos y energía y capaz de funcionar a baja temperatura

Baja eficiencia en comparación con otras tecnologías.

Hidrólisis química con acido concentrado

Alta conversion de glucosa. Formación de compuestos inhibidores, problemas de corrosion de equipos, altos costos operacionales y de mantenimiento, baja velocidad de reaccion.

Hidrólisis química con ácido diluido

Alta conversion, relativamente baja degradacion de productos en comparacion al pre-tratamiento con acido concentrado.

Concentración baja de azucares que salen del efluente en bajos tiempos de retención.

Ozonólosis Reduce el contenido de lignina y no hay formación de compuestos inhibidores.

Requiere altas cantidades de ozono

Hidrólisis enzimática Mas eficiente que la hidrólisis ácida Alto costo, requiere una gran cantidad de enzima la cual es dificil mantener

Gas a presión (CO2) No hay formación de compuestos tóxicos. Requiere altas presiones.


Adaptada de Hallam, 2015

Hidrólisis

Proceso de conversión de los polisacáridos contenidos en la biomasa a azúcares simples

𝑟 h𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜 𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒=𝑘𝐶 h𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜 𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒

𝑑𝑡=𝑁𝐴0

𝑉𝑑𝑋−𝑟 𝐴

𝑡=𝐶𝐴 0∫0

𝑋1−𝑟 𝐴

𝑑𝑋

𝑡=−1

𝑘𝑐𝑎𝑟𝑏

ln ( 1−𝑥 h𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜 𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒𝑠 )

Diseño de procesos

Hidrólisis

Hidrólisis ácida diluida

1% Ácido sulfúrico Presión: 2 bar Temperatura:

116°C V= 1.5 m3, HRT= 4h, D= 1.2m L = 3m

Mass Balance(kg/day) Acid HydrolysisComponents In OutWaste water 5081.34 5081.34Microalgae Cell debris 213.42 213.42CO2 Sulphuric acid 204.57 204.57Carbohydrates Biomass 203.25 8.33Sugars 194.92Proteins Biomass 294.72 206.30Amino acids 88.42Lipids Biomass 304.88 213.42Fatty acid 45.73Glycerol 45.73Ethanol Base yeast Entrainer VSS Methane CH4 Total (kg/day) Mass Balance(kg/day) 6302.17 6302.17

Diseño de procesos

Filtración

Separación sólidos/líquidos. Filtro de ultrafiltración (0.1 – 0.01 μm):

La glucosa, los polisacaridos y aminoacidos son solubles y por tanto pasaran por el filtro hacia el proceso de bioetanol, asi como el agua y el ácido sulfúrico.

Los lípidos, el glicerol, los ácidos grasos y las proteinas son insolubles.

Eficiencia del 95%

Mass Balance(kg/day) Separater/Filter

Components InOut to

Fermentation

Out to anaerobic digester

Waste water 5081.34 4065.07 1016.27Microalgae 0.00 0.00 0.00Cell debris 213.42 0.00 213.42CO2 0.00 0.00 0.00Sulphuric acid 204.57 163.65 40.91Carbohydrates Biomass 8.33 0.00 8.33Sugars 194.92 155.94 38.98Proteins Biomass 206.30 0.00 206.30Amino acids 88.42 70.73 17.68Lipids Biomass 213.42 0.00 213.42Fatty acid 45.73 0.00 45.73Glycerol 45.73 0.00 45.73Ethanol Base yeast Entrainer VSS Methane CH4 Total (kg/day) Mass Balance(kg/day) 6302.17 4455.39 1846.78

1 m

Diseño de procesos

Fermentación

Proceso biológico para la conversión de glucosa etanol en un tanque llamado fermentador.

Ecuación de Monod : [7]

Balance de masa del sustrato::

Parameter Valueμmax 0.357 h-1

K s 0.0714 g/L

Diseño de procesos

Fermentación

Saccharomyces Cerevisiae es resistente a altas concentraciones de azúcares

Activo a temperaturas de 4-32 oC

Si la concentración de etanol es mayor al 18% la constante de fermentación disminuye

Eficiencia de producción de etanol: 87.6% (Ho et al. 2013)

HRT = 12 h

Dimensiones: D= 1.2 m L = 2.5m

Fermentation

Components (kg/day) In Out

Waste water 12195 13177Microalgase 0 0Cell debris 0 0

CO2 0 166Sulphuric acid 491 0

Carbohydrates Biomass 0 0Sugars 468 14

Proteins Biomass 0 0Amino acids 212 212

Lipids Biomass 0 0Fatty acid 0 0Glycerol 0 0Ethanol 0 151

Base 491 0yeast 7906 7906

Entrainer

VSS Methane CH4

Total 21763 21627

Diseño de procesos

Destilación

Seguido de la fermentación sigue un filtro de separación para remover la levadura y reciclarla.

Etanol hidratado: 5% de agua, Etanol anhidro: 0,5% de agua

Para obtener etanol anhidro se requieren varias destilaciones. Primera destilación binaria llegará a una azeótropo (95% etanol). Segunda destilación con un agente (99% etanol). Tercera destilación para recuperación del agente.

Component Boiling point (°C) at 1 atm

Ethanol 78.25Water 100.00

Protein 100.05Amino Acids 100.05

Glycerol 287.85Sulphuric Acid 336.85

Lipids 351.00Fatty Acids 360.00

Carbohydrates 374.19

Diseño de procesos

Destilación

Filter Distilation column 1

Components (kg/day) InOut to

distilation Out to waste Feed 1 D1 B1

Waste water 13177.12 13177.12 0.00 13177.12 7.50 13169.62

Microalgae 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Cell debris 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

CO2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Sulphuric acid 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Carbohydrates Biomass 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Sugars 14.03 14.03 0.00 14.03 0.01 14.03

Proteins Biomass 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Amino acids 212.20 212.20 0.00 212.20 0.12 212.08

Lipids Biomass 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Fatty acid 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Glycerol 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Ethanol 150.75 150.75 0.00 150.75 150.00 0.75

Base 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

yeast 7906.27 0.00 7906.27 0.00 0.00 0.00

Total 21460.38 13554.11 7906.27 13554.11 157.63 13396.48

Diseño de procesos

Concepto final de la planta piloto

Análisis económico

- Capacidad de producción

- Año de arranque

- Ubicación de la planta

)(I 2007year in index Cost )(I 2015year in index Cost

x C CB

A20072015

6.0

775150 /000,775/150

díaKgdíaKg

CC

EUA

MexicoEUAMexico indexLocation

indexLocationCC

Análisis económico procesos secundarios

Planta 171,800 kg/día, capital fijo de $28.8 M USD en el 2007.

Planta 150 Kg/día, capital fijo de $323 k USD ó

$6 M MX en el 2015.

Inversión inicial = Capital Fijo + Capital de Trabajo

Inversión inicial = $6 M + $0.82 M = $ 7 M MX

¿Es México un lugar deseado para la producción de bioetanol?

SENER tiene identificados 13 proyectos de investigación para la producción de etanol de segunda generación, por medio de residuos y algas

El proyecto más relevante el de la empresa BLUE FUEL S.A.P.I de C.V., Jalisco: etanol anhidro a partir de agave y residuos, con un potencial aproximado de 241,000 Kg/día.

Conclusiones

La producción de bioetanol es un biocombustible atractivo en México

Existen diferentes microalgas en el agua residual que pueden ser usadas como materia prima

Los procesos usados son conocidos pero pueden ser mejorados con investigación continua

México cuenta con la geografía y el clima adecuados para el establecimiento de una biorefinería que use microalgas

Reflexión final

2010:• $21 M de pesos del gobierno estatal

como $15 M del gobierno federal• Jatropha curcas• 18,000 Kg/día de biodiesel• 10,000 Ha

Trabajo a Realizar a Futuro

Realizar balances de energía Incluir el sistema de control de la planta Refinar diagrama 3D de la planta Concluir análisis económico Preparación de propuesta para ante-proyecto Incluir producción de biogás y/o biodiesel

Agradecimientos

Newcastle: (Diseño)

Jonathan D H VaughanAlyssa MaiyorCatherine HallamDaniel GilliverSupicha PaweenpongpatZiyad Alahmadi

Prof. Adam Harvey

México: (Datos experimentales)

Ma. Teresa Valeriano GonzálezLeonel Rojas RomeroIsaac Nava BravoVerónica Rodriguez MuñízMta. Isaura YañezDr. Ignacio Monje Ramírez

Dr. Adalberto Noyola Robles

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