Propuesta técnica-económica para la producción de biocombustibles a partir de microalgas en una planta piloto Dra. Sharon Velasquez-Orta Lecturer in Chemical.

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1 Propuesta técnica-económica para la producción de biocombustibles a partir de microalgas en una planta piloto Dra. Sharon Velasquez-Orta Lecturer in Chemical Engineering Agosto, 2015

2 Agenda Introducción 6. Concepto aplicable de la planta piloto
Meta de la investigación y objetivos Selección de biocombustibles Selección de procesos 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 Conclusiones Trabajo futuro

3 Introducción 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)

4 Evaluaciones de la contaminación
Introducción Productos químicos (Acido acético, acido fórmico) Evaluaciones de la contaminación Materia prima (Biopolímeros) Evaluación Tecno-económica Monitoreo de la contaminación Sistemas bioelectroquímicos Energía (Metano, Biodiesel, Bioetanol) Tecnología algal Recuperación de residuos

5 El uso energético en el tratamiento de agua potable y agua residual
Introducción El uso energético en el tratamiento de agua potable y agua residual Treated Water Water El consumo energético para tratar el agua potable es menor que el agua residual. Adicionalmente el tratamiento del agua residual es el proceso que consume mayor energía. Velasquez-Orta et al., in preparation

6 Energía usada y emisiones de CO2 en el tratamiento de agua
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)

7 Situación energética Introducción Consumo de energía global en el 2013
Emisiones de dióxido de carbono (BP, 2014) (Zhu, 2015)

8 Situación energética Introducción 41 años 1.2 trillones de barriles
metros cúbicos Reservas de crudo y gas en el 2013 Petróleo 147 años 909.1 billones toneladas El porcentaje mayor de energía se encuentra en el Medio Oriente, alguna inestabilidad podría It was anticipated that the global oil and gas reserves could only serve the world for 53.3 and 55.1 years. Enable policy and regulatory framework: G Gas natural Carbón (Zhu, 2015 ; BP, 2014)

9 Cambio Climático y Energía
Introducción

10 Energía y agua residual
Introducción Energía y agua residual Velasquez-Orta, 2012

11 El uso de microalgas en el tratamiento de agua residual
Introducción 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

12 El uso de microalgas como fuente de biocombustible
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). Sería inaceptable la utilización de tierra fértil en la producción de biocombustibles. Increasing demand by using the water for fuel crops is therefore not an ideal use of water, which should be saved for drinking

13 Uso de microalgas como fuente de biocombustibles
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 Pavel Škaloud, 2007

14 Uso de microalgas como fuente de biocombustibles
Introducción Uso de microalgas como fuente de biocombustibles CO2 Nutrients Cultivo de microalgas Reciclaje De nutrientes Efluente algal (2-7% TSS) Cosecha Pasta algal (15-25% TSS) Fracciones bioquímicas Bioturbosina Lípidos biomasa Carbohidratos Biodiesel Bioetanol Biobutanol Hidrógeno Metano Bioelectricidad Mata et al., 2010

15 Concepto de una biorefinería para el uso de microalgas
Introducción 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. Se busca un proceso integral que utilice una gran diversidad biomasa para la producción simultánea y sustentable de productos intermediarios y finales. Zhu, 2015

16 Ejemplos de biorefinerías en México
Introducción Ejemplos de biorefinerías en México Sacramento-Rivero et al., 2010

17 Investigación realizada
Introducción Investigación realizada Meta: Evaluación técnica-económica de un proceso de generación de biocombustibles a partir de microalgas. Objetivos: Evaluación de la producción de biodiesel, bioetanol y/o biogas a partir de microalgas. Determinación de las unidades de operación que se requieren para la producción de biocombustibles a partir de las microalgas. Llevar a cabo los balances de materia y definir cantidades de producción. Diseñar y realizar el análisis económico de una planta piloto Escribir una propuesta para instalación de una planta piloto cerca del ex-lago de Texcoco.

18 Selección de biocombustibles
value of product, efficiency, literature, availability of microalgae, number of unit operations and demand in Mexico. Value and demand were considered to be most important as it is only viable to produce a fuel that can be sold and for a reasonable price. Efficiency and number of unit operations are important in the economic viability of producing the fuel in the first place, for example a large number of unit operations would be very costly, as would an inefficient process. Availability of microalgae is significant due to the fact that if there is very little biomass that can be used for fuel generation then the process would not be effective. The amount of literature is less important than the other factors, however it is still key to consider that a fuel with no literature will be very difficult to optimise a process for. Atributos

19 Selección de biocombustibles

20 Selección de microalgas
Komolafe et al., 2014 Proteína Carbohidrato Lípido Material celular Cantidad 29% 20% 30% 21% Dragone et al., 2010

21 Biorefinería: procesos primarios
Selección de procesos Biorefinería: procesos primarios Lagunas facultativas con recirculación localizadas en el ex-lago de Texcoco Producción natural de microalgas a partir de m3/s de agua residual Incorporación de: Lagunas para crecimiento de microalgas Cosecha de microalgas Lisis de las microalgas

22 Procesos secundarios Procesos primarios

23 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 Selección de procesos

24 Crecimiento de microalgas
Lagunas de alta tasa, características: Profundidad : 0. 4m Flujo volumétrico: 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 HRAP Components (kg/day) Inlet Outlet Waste water Microalgae Inoculum Cell debris CO2 Sulphuric acid Carbohydrates Biomass Sugars Proteins Biomass Aminoacids Lipids Biomass Fatty acid Glycerol Ethanol Base yeast Entrainer VSS Methane CH4 Total Diseño de procesos

25 Cosecha de microalgas Selección de procesos
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 Filtración Microfiltración 5-27 95% kWh/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). Selección de procesos

26 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 Ozoflotation Components (kg/day) Inlet Outlet Waste water 145181 Microalgae 1613.1 1451.8 Cell debris CO2 Sulphuric acid Carbohydrates Biomass Sugars Proteins Biomass Amino acids Lipids Biomass Fatty acid Glycerol Ethanol Base Yeast Entrainer VSS Methane CH4 Total 146633 6098 Diseño de procesos

27 Substrate & experimental conditions
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) Saccharomyces cerevisiae (0.8 L, 10 kgm-3, 600 W, 15 min, medium) 68 Shirgaonkar et al. (1998) Molino Botryococcus, Chlorella, Scenedesmus (100 mL, 5kgm-3, 840 W, 5 min, high) 504 Lee et al. comparison, (2010) Microondas Botryococcus, Chlorella, Scenedesmus (100 mL, 5kgm-3, 700 W, 5 min, high) 420 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) A 33 MJ kg-1 (dry cells) was the lowest energy consumed, which is significantly greater than 27 MJ kg-1 (the estimated combustion energy from a typical algae biomass). Furthermore, the energy consumption is greater than the estimated minimum theoretical energy consumption by a factor of 105. There would be economic justification for this huge energy consumption for algal cell disruption if the lipids or pigments were extracted for high value commodities, such as pharmaceutical or nutraceutical products; however it becomes difficult to sustain if the lipids are extracted for bulk fuels such as biodiesel (Lee et al. 2012). In order to make algal oil economically competitive biodiesel feedstock, a less energetic disruption technique is required. Adaptada de Salam, 2015 Selección de procesos

28 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 Microalgae 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) A homogenisation pressure of 200 bar [17] is used to rupture the cell walls, and an outlet pressure of 2 bar is assumed as this is the desired pressure in the acid hydrolysis reactor. Due to sudden conversion of energy there is an associated temperature rise, 1°C for 40 bar pressure drop [17], therefore the outlet temperature has risen to 26°C. Homogenisation is the chosen method for cell rupture as it causes an increase in the pressure of the system. Doran et al., 2013 Diseño de procesos

29 Lisis de microalgas Presión de homogenización: 300 bar
Presión de salida: 2 bar Temperatura de salida: 28oC 1.2 m 0.53 0.0001 (Bialas & Jankowski, 2007) 1 300 2 2.7183 0.6 m Diseño de procesos

30 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

31 Procesos secundarios Procesos primarios

32 Hidrólisis Adaptada de Hallam, 2015 Selección de procesos 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. Las condiciones deberán ser óptimas para el rompimiento de la celulosa y de la hemicelulosa [19]. As seen in Table 2, dilute acid hydrolysis provides a high yield and a fast rate of reaction. Sulphuric acid is one of the most commonly used acids for hydrolysis of lignocellulosic biomass [21]. Therefore, dilute acid pre-treatment method was chosen over concentrated acid hydrolysis, due to significant disadvantages of concentrated acid which can be seen in Table 2. It was found that the highest bioethanol yield was achieved with 4% w/w dilute sulphuric acid at ̊C for 30 minutes [22]. Adaptada de Hallam, 2015 Selección de procesos

33 Hidrólisis Proceso de conversión de los polisacáridos contenidos en la biomasa a azúcares simples 𝑟 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒 =𝑘 𝐶 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑑𝑡= 𝑁 𝐴0 𝑉 𝑑𝑋 − 𝑟 𝐴 𝑡= 𝐶 𝐴0 0 𝑋 1 − 𝑟 𝐴 𝑑𝑋 However, acids used need to be removed prior to drying steps and transferring of the biomass content to the fermenter and the gasifier. 𝑡=− 1 𝑘 𝑐𝑎𝑟𝑏 ln 1− 𝑥 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡𝑒𝑠 Diseño de procesos

34 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 Hydrolysis Components In Out Waste water Microalgae Cell debris 213.42 CO2 Sulphuric acid 204.57 Carbohydrates Biomass 203.25 8.33 Sugars 194.92 Proteins Biomass 294.72 206.30 Amino acids 88.42 Lipids Biomass 304.88 Fatty acid 45.73 Glycerol Ethanol Base yeast Entrainer VSS Methane CH4 Total (kg/day) The pressure at which water boils at 116°C is 1.74 bara[18]. Carbohydrate Conversion is 96% All sugars released are glucose – based on the fact that the carbohydrates are cellulose and starch as both comprise of glucose molecules. The carbohydrates comprise of an average of 500 glucose molecules. 30% of proteins are hydrolysed Proteins are chains of 361, the average for Eukaryotes (Weizmann Institute of Science, 2014 ) and take 361 water molecules to break up. 30% of lipids are hydrolysed Lipids are made up of 1 glycerol molecule and 3 fatty acids and take 3 water molecules to break up. Diseño de procesos

35 Out to anaerobic digester
Filtración Mass Balance (kg/day) Separater/Filter Components In Out to Fermentation Out to anaerobic digester Waste water Microalgae 0.00 Cell debris 213.42 CO2 Sulphuric acid 204.57 163.65 40.91 Carbohydrates Biomass 8.33 Sugars 194.92 155.94 38.98 Proteins Biomass 206.30 Amino acids 88.42 70.73 17.68 Lipids Biomass Fatty acid 45.73 Glycerol Ethanol Base yeast Entrainer VSS Methane CH4 Total (kg/day) 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% 1 m Diseño de procesos

36 Balance de masa del sustrato::
Fermentación Proceso biológico para la conversión de glucosa etanol en un tanque llamado fermentador. 𝐶 6 𝐻 12 𝑂 𝐶 2 𝐻 5 𝑁 𝑂 2 → 1.3 𝐶 2 𝐻 6 𝑂+0.59𝐶 𝐻 𝑂 𝑁 𝐶 𝑂 𝐻 2 𝑂 𝐶 3 𝐻 8 𝑂 3 Ecuación de Monod : [7] 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = μ 𝑚 𝑆𝑥 𝐾 𝑆 +𝑆 =μ Balance de masa del sustrato:: 𝑆= 𝑆 0 − (𝑥− 𝑥 0 ) 𝑌 𝑋/𝑆 Parameter Value μmax 0.357 h-1 K­s g/L Diseño de procesos

37 Carbohydrates Biomass
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 13177 Microalgase Cell debris CO2 166 Sulphuric acid 491 Carbohydrates Biomass Sugars 468 14 Proteins Biomass Amino acids 212 Lipids Biomass Fatty acid Glycerol Ethanol 151 Base yeast 7906 Entrainer VSS Methane CH4 Total 21763 21627 4 batch después de la hidrólisis Diseño de procesos

38 Boiling point (°C) at 1 atm
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 78.25 Water 100.00 Protein 100.05 Amino Acids Glycerol 287.85 Sulphuric Acid 336.85 Lipids 351.00 Fatty Acids 360.00 Carbohydrates 374.19 Etanol hidratado Diseño de procesos

39 Destilación Diseño de procesos Components (kg/day) Waste water
Filter Distilation column 1 Components (kg/day) In Out to distilation Out to waste Feed 1 D1 B1 Waste water 0.00 7.50 Microalgae Cell debris CO2 Sulphuric acid Carbohydrates Biomass Sugars 14.03 0.01 Proteins Biomass Amino acids 212.20 0.12 212.08 Lipids Biomass Fatty acid Glycerol Ethanol 150.75 150.00 0.75 Base yeast Total 157.63 Diseño de procesos

40 Concepto final de la planta piloto

41 Análisis económico - Capacidad de producción - Año de arranque - Ubicación de la planta

42 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

43 ¿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.

44 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

45 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

46 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

47 Agradecimientos Newcastle: (Diseño) Jonathan D H Vaughan
Alyssa Maiyor Catherine Hallam Daniel Gilliver Supicha Paweenpongpat Ziyad Alahmadi Prof. Adam Harvey México: (Datos experimentales) Ma. Teresa Valeriano González Leonel Rojas Romero Isaac Nava Bravo Verónica Rodriguez Muñíz Mta. Isaura Yañez Dr. Ignacio Monje Ramírez Dr. Adalberto Noyola Robles