Modelado y evaluación de procesos de conversión de biomasa A. I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez Academia Nacional de Ingeniería Montevideo, 11 de Mayo.

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1 Modelado y evaluación de procesos de conversión de biomasa A. I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez Academia Nacional de Ingeniería Montevideo, 11 de Mayo de 2016

2 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 1. INTRODUCCIÓN-gISQP 2

3 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 3 El Grupo de Ingeniería de Sistemas Químicos y de Procesos (gISQP) está formado por investigadores y docentes que actúan en el área de la Ingeniería de Sistemas de Procesos (PSE) La PSE es un campo dentro de la Ingeniería Química que busca sistematizar el diseño, análisis, operación y toma de decisiones en las diferentes etapas de los procesos que involucran transformaciones químicas y/o físicas y/o biológicas El foco está en cómo los distintos componentes interaccionan entre sí y cómo estas interacciones contribuyen al comportamiento del sistema como un todo La PSE es una disciplina integradora que combina áreas básicas de la ingeniería química (transporte de momento, calor y masa, termodinámica, diseño de reactores, etc.) con elementos de matemática y programación

4 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 4 Problemas abordados por gISQP – Síntesis, diseño e integración de procesos – Modelado y simulación de procesos – Optimización de procesos – Estimación de parámetros – Análisis de incertidumbre, sensibilidad y toma de decisiones basadas en información experimental

5 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 1. INTEGRANTES-gISQP 5

6 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 6 Soledad Gutiérrez Dr. en Ingeniería Química, UdelaR Jefe de gISQP. Docente G4 DT, IIQ, Investigador SNI Nivel I Ana Inés Torres Dr. en Ingeniería Química, UMN-EE.UU. Post- Doc. MIT. Docente G3 DT, IIQ Investigador SNI Nivel Candidato

7 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 7 Adrián Ferrari MSc. en Ingeniería Quìmica, UdelaR Docente G3, IIQ Jimena Ferreira MSc. en Ingeniería Quìmica, UFRJ-Brasil Docente G2, IIQ

8 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 2. LÍNEAS DE TRABAJO ASOCIADAS A BIO-REFINERÍAS 8

9 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 9 1.Proyecto FSE_1_2015_1_109976 “Bio-refinerías en Uruguay: Evaluación tecno-económica de la producción de combustibles y químicos a partir de materia prima y residuos nacionales”. 2.Doctorado N. Clauser: “Viabilidad técnico-económica de la bio- refinería de los residuos de industrialización primaria de la madera y agroindustriales”. UNaM, Argentina. 3.Postdoc A. I. Torres: Proyecto “Biorefinery: Integrated Sustaible Processes for Biomass Conversion to Biomaterials, Biofuels and Fertilizer”. MIT, EE.UU. 4.Maestría J. Ferreira: ”Simulação dinâmica de evaporadores para aplicação em biorrefinarias”. COPPE, UFJR, Brasil. 5.Doctorado A. I. Torres: ”Biomass to chemicals: process design and kinetic studies for the conversion of sugars into HMF”. UMN, EE.UU.

10 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. Biomass to chemicals: process design and kinetic studies for the conversion of sugars into 5-Hydroxymethylfurfural 10 Ana I. Torres Tutores: Prodromos Daoutidis Michael Tsapatsis UMN-Twin Cities, EE.UU.

11 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 11 HMF: compuesto plataforma (building block) biorefinería de azúcares HMF y derivados - combustibles DMF - precursores polímeros (building blocks) (FDCA, p-TA: PlantBottle® CocaCola) 1.Diseño de procesos y optimización: fructosa -> HMF 2.Estudios cinéticos glucosa fructosa en Sn-  Tesis:

12 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 12 Contribuciones Modelos cinéticos Optimización Diseño de Procesos Cuellos de botella procesos química Guiar trabajo experimental hacia regiones con mayores chances de viabilidad - Mejor scenario HMF 12% más caro que su análogo de petróleo (p-xileno) Resultados - Materia prima domina el costo: pérdidas por reacciones paralelas Publicaciones relevantes: Torres, A. I., Daoutidis, P., Tsapatsis, M., Energy Environ. Sci., 3(10), 1560-1572, 2010. Rajabbeigi, N.*, Torres, A. I.*, et al., Chem. Eng. Sci., 116, 235-242, 2014. Torres, A. I., Tsapatsis, M., Daoutidis, P.., Comput. Chem. Eng., 42, 130-137, 2012.

13 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. Biorefinery: Integrated sustainable processes for biomass conversión to biomaterials biofuels and fertilizers 13 Ana I. Torres George Stephanopoulos MIT, EE.UU.

14 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 14 La bio-refinería Masdar-MIT Fraccionamiento / Pretratamiento Proteínas y polímeros derivados de lignina Precursores farmacéuticos Macro/micro algas Residuos municipales (fracción org.) Residuos agrícolas y de palmeras Building blocks derivados de azúcares y lignina Biomasa Bio- combustibles M. Thomsen J. Schmidt K. Prather Y. Roman B. Olsen M. Thomsen J. Schmidt 4 IntermediatesIntermediates Efluentes: Fertilizantes- mejoradores del suelo L. Youssef Marco de análisis matemático y entorno de simulación G. Stephanopoulos

15 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 15 Marco de análisis matemático Optimización de biorefinerías: problema separable Availability Composition Price Biomass Intermediates (a few options) Pre-intermediate technologies Demand Price Product A Product D Product C Product B Demand Price Demand Price Demand Price I1 I2 I3 Intermediate Quality Amount Price Formulación matemática: problema multi-objetivo Upgrade of intermediate technologies Torres, A. I, et al., Comput. Aided Chem. Eng., 37, 1175-1180, 2015. Ashraf, M. T., et al., Comput. Aided Chem. Eng., 38, 2016.

16 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. Simulación dinámica de evaporadores para la aplicación en bio-refinerías 16 Jimena Ferreira Tutores: Argimiro R. Secchi Evaristo C. Biscaia Jr PEQ/COPPE/UFRJ/Brasil

17 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 17 Esquema de bio-refinerías a partir de caña de azúcar

18 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 18 Implementación de los modelos de los evaporadores tipo flash y Robert en EMSO. Simulación de sistemas de múltiples efectos de evaporadores en serie. Datos geométricos y operacionales tomados de tesis de doctorado de Jesus (2004), basados en planta de refino de caña de azúcar en Santa Adelaida, SP-Brasil.

19 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. Estudio técnico-económico de la Bio-refinería de los residuos de industrialización primaria de la madera y agroindustriales 19 Nicolás Martín Clauser Tutores: Soledad Gutiérrez María Vallejos UNaM Argentina.

20 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 20 Objetivo: Analizar la viabilidad técnico-económica de diferentes esquemas de bio-refinería de residuos de industrialización primaria de la madera y agroindustriales a partir de las propuestas tecnológicas planteadas en el Instituto de Materiales de Misiones. Variables a estudiar Materias primas: bagazo de caña, aserrín de Pino y Eucaliptus Productos: dependientes de materia prima

21 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. Bagazo de caña de azúcar _ Esquema 1 INGENIO AZUCARERO Selección de tecnologías existentes AUTOHIDROLISIS Selección de Productos Fracción Líquida (Hemicelulosas) 1.Jarabe de Xilosa 2.Furfural 3.Xilitol 1.Jarabe de Xilosa 2.Furfural 3.Xilitol Escenarios 1.MDF 2.Generación de Energía 1.MDF 2.Generación de Energía Fracción Sólida Diferentes calidades de azúcar Bagazo Caña de Azúcar www.redmisiones.tv  Balances de Masa y Energía  Balances económicos, flujos de caja y estimación de VAN y TIR  Comparación de alternativas  Balances de Masa y Energía  Balances económicos, flujos de caja y estimación de VAN y TIR  Comparación de alternativas Escenarios

22 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. INGENIO AZUCARERO Selección de Productos Diferentes calidades de azúcar Bagazo Caña de Azúcar www.redmisiones.tv AUTOHIDROLISIS Fracción Líquida (Hemicelulosas) 1.Xilitol Escenarios 1.Etanol 2.Pellets 1.Etanol 2.Pellets Fracción Sólida  Balances de Masa y Energía  Balances económicos, flujos de caja y estimación de VAN y TIR  Comparación de alternativas  Balances de Masa y Energía  Balances económicos, flujos de caja y estimación de VAN y TIR  Comparación de alternativas Escenarios Bagazo de caña de azúcar_Esquema2

23 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 23 -Ranking de escenarios según rentabilidad -Modelo de los procesos optimizable Resultados Publicaciones relevantes: Clauser, N., Gutiérrez, S., Area, M, Felissia, F., Vallejos, M., Chemical Engineering Research and Design., 107 (2016), 137-146. Clauser, N., Gutiérrez, S., Area, C., Vallejos.M.., Biofuels, Bioproducts and Biorefining, En preparación (2016)

24 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. Bio-refinerías en Uruguay: Evaluación tecno-económica de la producción de combustibles y químicos a partir de materia prima y residuos nacionales 24 Ana I. Torres Soledad Gutiérrez Roberto Kreimerman ANII FSE 1_2015_1_109976

25 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 25 Objetivo: Desarrollar sistemática de evaluación para definición de compuestos químicos a producir a partir de biomasa La propuesta incluye: Modelado de materias primas Definición de pool de productos candidatos Definición de criterios de evaluación Simulación de tecnologías materia prima – producto Optimización para selección de mejores rutas

26 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 3. CAPACIDADES TÉCNICAS 26

27 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 27 Capacidades computacionales: Manejo de software especializado Modelado y simulación de procesos: ASPEN, EMSO. Optimización matemática: -GAMS, Matlab. Estimación de parámetros: Matlab, ATHENA CFD (Computational Fluid Dynamics): CFX, Fluent. Otros Implementación de modelos para la asistencia en la toma de decisiones en procesos Programación: Matlab, Mathcad, GAMS, Visual Basic, Excel.

28 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 28 Capacidades experimentales: Equipamiento de Laboratorio: HPLC, GC, Rotavapor, extractor en fase líquida, centrífuga, balanza analítica, estufa, instrumental para análisis de grasas, pHímetro, medidores de Oxígeno, sulfuros, nitratos, amonio, potencial redox, conductividad. Acceso a columna de destilación escala piloto y a espectrofotómetro de absorción atómica. Determinaciones: DQO, DBO, amonio, nitratos, nitritos, grasas, ácidos grasos de cadena larga, insaponificables totales, acidez libre, esteroles, cromatografía tradicional (en capa fina y en columna de baja presión).

29 Presentación gISQP- A.I. Torres, J. Ferreira, S. Gutiérrez. 29 ¡¡¡MUCHAS GRACIAS!!! https://www.fing.edu.uy/iiq/grupos/gisqp