Diseño de una planta de producción de bioetanol para una capacidad de producción de 80000 toneladas al año

Abstract

[ES] El bioetanol es un biocombustible muy atractivo debido a que es un combustible con una huella de carbono neutra, puede usarse mezclado con gasolina y puede revitalizar la economía rural haciendo que se utilicen tierras con poco valor para obtener biomasa. El bioetanol se obtiene mediante la fermentación de materia orgánica procedente de la biomasa, principalmente de origen vegetal y rica en glucosa. En el caso de este trabajo fin de grado, se va a utilizar la caña de azúcar para la obtención de bioetanol debido al gran rendimiento que posee frente a otros tipos de cultivo en la obtención de este biocombustible. En este trabajo fin de grado se diseña el proceso de producción de una fábrica de bioetanol a partir de la caña de azúcar. En el proceso productivo existen dos etapas cruciales: la fermentación y la destilación. La fermentación se lleva a cabo en reactores continuos cuyo volumen se obtiene aplicando el modelo Black Box. Este modelo consiste en establecer que el microrganismo encargado de la fermentación, que en este caso es la levadura Saccharomyces Cerevisiae, es una caja negra en la cual se producen tres reacciones: obtención de producto, crecimiento celular y mantenimiento celular. Con la utilización de las tres reacciones, se obtienen los ratios q, a partir de los cuales se acaba calculando el volumen de los reactores. La destilación se lleva a cabo en una torre destilación, cuyos platos se obtienen utilizando el método matemático gráfico de Mc Cabe-Thiele implementado en Mathcad. Para el diseño de la torre, se ha considerado una fracción molar de bioetanol a la salida de un 80%, ya que a partir de ahí se puede utilizar como mezcla con gasolina. Una vez diseñado el proceso productivo, se llevaron los resultados del diseño al simulador comercial COCO Simulator, que es un software gratuito con el cual se pueden realizar multitud de operaciones básicas en la industria química. Con el programa COCO se realizó una optimización del sistema de destilación. Se extrajeron datos de COCO Simulator y se usaron en el método TAC. Así, se consiguieron obtener unos datos de costes totales anuales en función del número de platos del sistema de destilación para el análisis de sensibilidad.

[EN] Bioethanol is a very attractive biofuel because it is a carbon with gasoline, and can revitalize the rural economy by obtainingneutral fuel, can be used in blends using lowvalue land for biomass . Bioethanol is obtained through the fermentation of organic matter from biomass, mainly of plant origin and rich in glucose. In the case of this endbe used to obtain bioethanol d ofgrade project, sugar cane will ue to the great yield it has compared to other types of crops in obtaining this biofuel. In this endofgrade project, is designed the production process of a bioethanol factory from sugar cane. There are two crucial stages in the production process: ferme ntation and distillation. Fermentation is carried out in continuous reactors whose volume is obtained by applying the Black Box model. This model consists of establishing that the microorganism in charge of fermentation, which in this case is the Saccharom yces cerevisiae yeast, is a black box in which three reactions take place: obtaining the product, cell growth and cell maintenance. With the use of the three reactions, the ratios q are obtained, from which the volume of the reactors is calculated. The dis tillation is carried out in a distillation tower, whose plates are obtained using the graphical mathematical method of McCabeThiele implemented in Mathcad. For the design of the tower, a molar fraction of bioethanol at the outlet of 80% has been considere d, since from there it can be used as a mixture with gasoline . Once the production process has been designed, the design results are taken to the COCO Simulator commercial simulator, which is free software which contains in the chemic many basic operations al industry. With the COCO program, an optimization of the distillation system is going to be carried out. Data is extracted from COCO Simulator and used in the TAC method. Thus, it is possible to obtain total annual cost data based on the number of plates of the distillation system to carry out a sensitivity analysis. Keywords : Energy, Bioethanol, Biomass, Fermentation, Distillation, Simulator.

[CAT] El bioetanol és un biocombustible molt atractiu pel fet que és un combustible amb una empremta de carboni ne utra, es pot fer servir mesclat rural fent que s'utilitze amb benzina i pot revitalitzar l'ec onomia n terres amb poc valor per obtenir biomassa. El bioetanol s'obté mitjançant la fermentació de matèria orgànica procedent de la biomassa, principalment d'origen vegetal i ric en glucosa. En el cas d'aquest treball fi de grau, s'utilitzarà la canya de sucre per a l'obtenció de bioetanol a causa del gran rendiment que té davant d'altres tipus de cultiu en l'obtenció d'aquest biocombustible. En aquest treball de fi de grau es dissenya el procés de producció d'una fàbrica de bioetanol a partir de la canya de sucre. En el procés productiu hi ha dues etapes crucials: la fermentació i la destil·lació. La fermentació es porta a terme en reactors continus el volum dels quals s'obté aplicant el model B lack Box. Aquest model consisteix a establir que el microorganisme encarregat de la fermentació, que en aquest cas és el llevat Saccharomyces Cerevisiae, és una caixa negra en la qual es produeixen tres reaccions: obtenció de producte, creixement cel·lular i manteniment cel·lular. Amb la utilització de les tres reaccions, s'obtenen els ràtios q, a partir dels quals s'acaba calculant el volum dels reactors. La destil·lació es porta a terme en una torre el mètode matemàtic gràfic de Mc Cabede destil·lació, els plats de la qual s'obtenen utilitza nt Thiele implementat a Mathcad. Per al disseny de la torre, s'ha considerat una fracció molar de bioetanol a la sortida d'un 80%, ja que a partir d'aquí es pot fer servir com una mescla amb benzina. Una vegada disseny at el procés productiu, es porten els resultats del disseny al simulador comercial COCO Simulator, que és un programa gratuït amb el qual es poden fer multitud d'operacions bàsiques a la indústria química. Amb el programa COCO es optimització del sistema de destil·lació. S'extr a realitza una uen dades de COCO Simulator i es fan servir en el mètode TAC. Així, s'aconsegueix obtenir unes dades de costos totals anuals en funció del nombre de plats del sistema de destil·lació per fer una anàlisi de sensibilitat. Paraules clau: Energia, Bioetanol, Biomassa, Fermentació, D estil·lació , Simulador.