Recuperación de biobutanol para la producción de combustibles mediante ciclos de adsorción-desorción

Resumen

El elevado precio del petróleo y el aumento de las emisiones de CO2 han motivado la producción de biocombustibles como biobutanol o bioetanol. El biobutanol presenta mayor contenido energético que el etanol (33,1 vs 26,8 MJ por kg de butanol). Sin embargo, la concentración de biobutanol en los caldos de fermentación es muy baja (menor a un 2 por ciento en peso) debido a que es tóxico hacia los microorganismos productores, lo que dificulta su recuperación. Entre las diferentes tecnologías de separación, la adsorción presenta un elevado potencial debido a elevada selectividad y bajo consumo energético. El objetivo de este trabajo es el estudio experimental de la recuperación de butanol de mezclas de butanol y agua, caldos de fermentación modelo y caldos de fermentación reales. Se ha propuesto un proceso cíclico de adsorción y desorción, la etapa de adsorción se realiza en fase líquida, seguida de una etapa de desorción con aire caliente (Temperature Swing Adsorption (TSA)). Los productos desorbidos se recuperan mediante condensación. Se han estudiado tres adsorbentes hidrofóbicos comerciales: silicalita (en forma de pellets), resina SP207 (en esferas) y carbón activado F400 (en gránulos). La información necesaria para el diseño del proceso cíclico para cada uno de los adsorbentes se obtiene a partir de los siguientes estudios experimentales en lecho fijo: (i) equilibrio y cinética de adsorción en fase líquida, se han determinado las isotermas de adsorción de los principales compuestos que aparecen en los caldos. (ii) equilibrio de adsorción en fase vapor, se determinan las isotermas de adsorción de butanol en fase vapor y la entalpía de adsorción de butanol con cada adsorbente. (iii) cinética de regeneración, se obtienen los perfiles de masa y temperatura en el lecho durante la etapa de regeneración a diferentes condiciones de operación. Se evalúa el efecto de las principales variables de operación sobre la concentración y recuperación de butanol en el producto condensado. Se propone un esquema de regeneración específico para cada adsorbente que permite obtener un producto con una concentración de butanol elevada. Los resultados experimentales de estos tres estudios se han empleado para desarrollar un modelo cinético capaz de describir las etapas de adsorción y desorción en lecho fijo con los tres adsorbentes. Además, este modelo se ha empleado para estimar el requerimiento energético de cada proceso y optimizar el tiempo de desorción. Empleando silicalita se ha obtenido butanol de elevada pureza (entre 97 y 98 por ciento en peso) a partir de mezclas de butanol y agua diluidas (entre 0,5 y 2 por ciento en peso de butanol). Este enriquecimiento se ha alcanzado en una única etapa de purificación con temperaturas de desorción entre 403 y 423 K y un consumo energético de 3,4 MJ por kg de butanol producido.¿ Utilizando carbón activado F400 se han obtenido dos condensados ricos en butanol, el primero con una concentración de butanol entre el 19 y 10 por ciento en peso a lo largo de la etapa de secado del líquido no ligado y el segundo con una concentración de butanol entre el 90 y 98 por ciento en peso durante la desorción del líquido ligado. Este enriquecimiento se ha obtenido en una única etapa de purificación, empleando unas condiciones de regeneración similares a las del proceso con silicalita. Usando resina SP207 se ha obtenido butanol con una concentración entre el 22 y 10 por ciento en peso. Esta pureza es mucho menor que la obtenida con silicalita o carbón activado F400, sin embargo, las suaves condiciones de regeneración empleadas para la resina SP207 (323 y 343 K) conducen a un consumo energético menor (2,1 MJ por kg de butanol producido). Por último, se ha estudiado la estabilidad de la resina SP207 a lo largo de múltiples ciclos de adsorción y desorción alimentando un caldo de fermentación real y no se observaron fenómenos de desactivación.