Diseño y simulación de esquemas de destilación para la purificación de bio-productos

Resumen

Los problemas ambientales que sufre en la actualidad el planeta, como el cambio climático o la contaminación, evidencian que el actual modelo económico es insostenible. Innovar sobre el uso de la biomasa con un enfoque sostenible, y conocer los bio-productos que demanda el mercado, son retos a los que se sigue enfrentando la industria. La producción de bio- productos a partir de biomasa residual ofrece una alternativa prometedora y sostenible en comparación con los métodos tradicionales basados en derivados del petróleo. Sin embargo, existen desafíos técnicos, económicos y de gestión que limitan la viabilidad y la sostenibilidad de esta producción. La calidad de la materia prima, tecnologías de conversión, rendimiento y selectividad de proceso. Además, se examinan los desafíos en la cadena de suministro, la rentabilidad económica, la valorización eficiente de los residuos y la minimización del impacto ambiental.

La OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos) sostiene que, para 2030, el 30% de todos los productos químicos serán de origen biológico (a medida que las empresas químicas realicen la transición a empresas bioquímicas). El mercado de los productos químicos de origen biológico crecerá entre 2020 y 2024 a un ritmo del 11% durante el periodo previsto. Sin embargo, estos mercados solo se han centrado en optimizar el coste total anual, perdiendo de vista el impacto ambiental del proceso. Por lo tanto, una de las grandes limitantes de la obtención de productos provenientes de biomasa son los altos consumos de energía para su obtención, por lo que la reducción del consumo de energía del proceso ofrecería mayores posibilidades en su producción a gran escala, así como, viable económicamente. En este proyecto se plantea proponer procesos para la producción y purificación de bio-productos que reduzcan el consumo energético y con ello obtener procesos que se apeguen a los conceptos de sostenibilidad, química verde y economía circular. En este trabajo nos enfocamos en la purificación de dos bio-productos de alto interés, como lo son el ácido levulínico y el 2-Metiltetrahidrofurano (2-MTHF).

En el proceso de producción de ácido levulínico, una vez ocurrida la reacción se obtiene una corriente con abundante agua, es por ello que la mayor cantidad de agua se elimina mediante una columna de extracción líquido-líquido, luego la corriente concentrada en ácido levulínico, furfural y ácido fórmico se purifica mediante un tren de columnas de destilación. Debido a que a que la destilación es uno de los métodos de separación con mayor consumo energético, es importante su estudio mediante la síntesis de proceso. Por tanto, se propusieron 5 diseños con arreglos convencionales para su purificación posterior a la zona de extracción liquido-liquido. Para los diseños que se logro obtener las purezas requeridas se implementó una interfaz de optimización, con el objetivo de obtener mejores diseños, el algoritmo que se propuso fue el de evolución diferencial con lista tabú, y se tomaron como funciones objetivo la minimización del costo total anual y del impacto ambiental mediante el eco indicador 99. De los 5 diseños propuestos, solo 5 fueron factibles debido a que los otros dos presentan una azeotropo haciendo imposible llegar a las recuperaciones y purezas deseadas.

Además, conociendo la importancia industrial del 2-MTHF se implementaron estrategias de diseño para poder alcanzar mayor pureza en su etapa de purificación, se propusieron esquemas donde se implementaron decantadores, columnas flash y arreglos convencionales. Obteniendo que el diseño convencional obtuvo los mejores resultados alcanzando una pureza del 94% en masa.