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Deshidratación de etanol con materiales adsorbentes de origen amiláceo y celulósico

Quintero Suárez, Julián Andrés (2008) Deshidratación de etanol con materiales adsorbentes de origen amiláceo y celulósico. Maestría thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales.

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Resumen

En este trabajo se evaluaron el almidón de bore, de maíz y de yuca, y el bagazo de caña como potenciales adsorbentes para el proceso de deshidratación de etanol debido a su conocida afinidad hacia el agua y a su bajo costo de obtención, principalmente el del bagazo de caña, el cual es catalogado como un residuo agroindustrial y aunque en la actualidad es usado como material combustible dicha disposición será prohibida en poco tiempo como resultado del fortalecimiento de las leyes ambientales. La operación de adsorción en la deshidratación de etanol busca reducir el consumo energético de las tecnologías de deshidratación convencionales que involucran exclusivamente operaciones de destilación, por lo que en la actualidad las nuevas plantas de producción de alcohol anhidro hacen uso de dicha tecnología. Esta tecnología de adsorción usa como material adsorbente tamices moleculares, los cuales son un tipo de zeolita sintética que se deteriora con la temperatura, requiriendo por tanto su renovación. Los materiales adsorbentes de origen vegetal tienen una vida útil mucho menor en la adsorción y deben ser remplazado constantemente, sin embargo, el material desechado de la adsorción puede ser usado en la obtención de azúcares fermentables para la obtención de etanol. El trabajo experimental desarrollado en este documento involucró tres fases, la prima consistió en la extracción o recuperación de las materias primas de interés. El procedimiento de recuperación de los almidones dependió del tipo de fuente natural de la cual se extrajo, es decir, si provenía de un tubérculo o de un cereal. En cuanto al bagazo de caña éste se separó en sus componentes estructurales (corteza y médula) y se le proporcionó mediante molienda el tamaño adecuado para su manipulación. La segunda fase consistió en el acondicionamiento o modificación de los materiales de estudio para mejorar en la capacidad de adsorción de agua, para esto se realizó una hidrólisis enzimática con lo cual se buscó hidrolizar parcialmente el material y así aumentar el área superficial expuesta o el número de grupos hidrofílicos disponibles. Se realizaron análisis estructurales y térmicos antes y después de la hidrólisis parcial con el fin de determinar la influencia de la modificación enzimática y su potencial uso como material adsorbente. Los análisis empleados: microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y adsorción/desorción de nitrógeno gaseoso método BET. La última fase experimental consistió de la evaluación de los materiales adsorbentes tanto en estado nativo como hidrolizado en la operación de adsorción. Para esto se elaboró un sistema de adsorción a nivel de laboratorio en una columna de vidrio enchaquetada para permitir el acondicionamiento de la temperatura de operación. En éste sistema de adsorción se pudo hacer seguimiento de la composición de producto y de las temperaturas de diferentes secciones del lecho adsorbente. De los trabajos experimentales de la primera fase se pudo establecer que el procedimiento de recuperación de almidón está fuertemente ligado a la naturaleza de la fuente natural, es decir, si se trata de un tubérculo, un cereal u otra forma de presentación de la materia prima, ya que la presencia de proteína en la fuente natural de almidón requiere considerar el uso de agentes químicos que permitan separar el complejo almidón-proteína formado en plantas con alto contenido de proteína. En este sentido, la recuperación de almidón de bore mediante el proceso convencionalmente usado para tubérculos presentó problemas en la separación como consecuencia de la presencia de un contenido considerable de proteína (aprox. 14%). En cuanto al almidón de yuca, este fue el de mayor facilidad de recuperación. La recuperación de almidón de maíz requirió un proceso más complejo conocido como de molienda en húmedo y requiere el uso de bisulfito de sodio, tal proceso permite obtener todas las fracciones que componen el grano (fibra, germen, gluten, almidón). Por otro lado, para la separación de la médula y la corteza del bagazo de caña se realizó una molienda del material húmedo, con lo cual fue posible tamizar y separa las fracciones considerando el tamaño de las fibras obtenidas. La fracción de interés para uso como adsorbente fue la corteza del bagazo, ya que ésta posee el mayor contenido de lignina y celulosa, además ésta representó el 92.85 ± 0.002 % del bagazo total en base seca. El análisis estructural y térmico de los materiales adsorbentes en estudio evidenció que efectivamente cada material sufrió cambios a nivel estructural como resultado de la hidrólisis enzimática parcial. En las micrografías SEM se observó el desgaste generado por el ataque enzimático sobre las partículas del material, sin embargo, los resultados del análisis BET muestran que no se logró aumentar el área superficial representativamente en ninguno de los materiales, sino que por el contrario, a excepción del almidón de bore, se generó una leve disminución de esta, causado probablemente por la formación de poros de mayor diámetro dentro del aglomerado de partículas, en vez de la formación de una mayor cantidad de poros pequeños sobre la partícula de material lo cual si permitiría obtener un mayor área superficial. En cuanto al bore, el área superficial aumenta como resultado de la formación de un mayor número de partículas de almidón de menor tamaño, según lo observado en las micrografías SEM. Los perfiles de XRD sugieren que los materiales parcialmente hidrolizados poseen un carácter más cristalino, ya que los picos parecen ser más nítidos y bien definidos, sin embargo, en el caso del almidón de yuca y de maíz no hubo casi diferencia entre los dos perfiles. La alteración estructural también fue corroborada con los perfiles de DSC, lo cuales muestran que, a excepción del bagazo de caña, los materiales adsorbentes en estudio muestran un incremento en la temperatura de gelatinización provocado por un cambio estructural de las partículas de almidón, este incremento fue más representativo en el almidón de bore. Según Park et al. (1971) la gelatinización de partículas de almidón de tamaño grande ocurre a una más baja temperatura que la de aquellas de menor tamaño, teniendo en cuenta esto y los perfiles de DSC obtenidos para los almidones estudiados, se puede decir que el mayor cambio de la temperatura de gelatinización en el almidón de bore se debió a que éste sufrió un mayor cambio en el tamaño de partícula bajo el ataque enzimático. De lo anterior se puede sugerir que los almidones de yuca y maíz sufrieron menores modificaciones estructurales después del tratamiento enzimático. Este análisis esta de acuerdo a lo observado en las micrografías SEM. En cuanto al bagazo de caña los perfiles DSC no presentan endotermas de fusión ya que la celulosa es un polímero de mayor carácter cristalino y resistencia a la temperatura; se observaron algunas curvaturas leves que corresponden a la eliminación de agua presente en el material pero no un cambio estructural del material. De la evaluación de los materiales en la operación de adsorción se obtuvieron buenos resultados incluso para los materiales nativos, es decir sin modificaciones, ya que en la mayoría de los casos se logró superar la concentración del azeótropo etanol-agua. Los materiales parcialmente hidrolizados presentaron mejor desempeño en la operación de adsorción, se aumento la capacidad de adsorción de agua, lo que indica que a pesar de que no se logró aumentar el área superficial bajo la acción enzimática, se logró exponer un mayor número de sitios hidrofílicos, para estos materiales grupos hidroxilo que forman puentes de hidrógeno con el agua y así reteniéndola con mayor facilidad. Todos los materiales modificados aumentaron su capacidad de adsorción, siendo el de mayor capacidad el almidón de maíz parcialmente hidrolizado (19.02 g/100 g ads) seguido del almidón de yuca (con una capacidad de adsorción de 11.47 g/100 g ads), ambas capacidades se incrementaron aproximadamente el doble respecto a las obtenidas en sus estados nativos / Abstract: Bore starch, corn starch, cassava starch and sugar cane bagasse were evaluated as potential adsorbents for ethanol dehydration process. Because of their known water affinity and their low recovery cost, mainly sugar cane bagasse, that is considered an agricultural waste. Actually, this waste is used as a fuel material, but it will be forbidden in a short time. Experimental work involved three steps; the first one was the raw material recovery or extraction. The second step consisted of conditioning or modifying (partial enzymatic hydrolysis) the studied materials for increasing theirs surface area or the number of available hydroxyl groups. Structural and thermal analyses were made for native and modified adsorbent materials. The instrumental techniques used were: scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC) and nitrogen adsorption/desorption. The last step was the native and modified materials evaluation in ethanol dehydration process. For this purpose a laboratory scale adsorption system was built. This system consisted of a packed glass column. Product composition and temperature profiles were recorded through time. Modified materials showed a better performance in ethanol dehydration reaching anhydrous ethanol composition. All adsorbent materials increased their water adsorption capacity by partial enzymatic hydrolysis. Corn starch and cassava starch had the highest water adsorption capacity, 19.02 g/100 g of adsorbent and 11.47 g/100 g of adsorbent, respectively.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestría)
Colaborador / Asesor:Cardona Alzate, Carlos Ariel
Palabras clave: Alcohol etílico; Residuos industriales; Uso de residuos sólidos
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 66 Ingeniería química y Tecnologías relacionadas/ Chemical engineering
Unidad administrativa:Sede Manizales > Facultad de Ingeniería y Arquitectura > Departamento de Ingeniería Química
Código ID:1914
Enviado por : Biblioteca Digital Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales
Enviado el día :07 Septiembre 2010 20:47
Ultima modificación:09 Febrero 2011 21:46
Ultima modificación:09 Febrero 2011 21:46
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