Producción de bioetanol a partir del residuo del proceso de extracción de aceite de higuerilla (Ricinus Communis) y análisis de sus impactos ambientales
El proceso de extracción de aceite de higuerilla genera un residuo conocido como torta de higuerilla. Esta biomasa contiene aproximadamente 40,2 % de celulosa. Por medio de los microorganismos: Aspergillus niger, Trichoderma spp. y Rhizopus spp., se plantearon algunas rutas para la hidrólisis enzimá...
- Autores:
-
Agudelo López, William Andrés
Serrano Cabeza, Nicholas
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2019
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/7141
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/7141
- Palabra clave:
- Energy engineering
Bioethanol
Enzymatic hydrolysis
Innovaciones tecnológicas
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Biomasa
Biodiésel
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Ricinus communis
Hidrólisis enzimática
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- openAccess
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- http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/
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El proceso de extracción de aceite de higuerilla genera un residuo conocido como torta de higuerilla. Esta biomasa contiene aproximadamente 40,2 % de celulosa. Por medio de los microorganismos: Aspergillus niger, Trichoderma spp. y Rhizopus spp., se plantearon algunas rutas para la hidrólisis enzimática de la celulosa que permitiera la producción de glucosa y, posteriormente, bioetanol a través de vía fermentativa por Saccharomyces cerevisiae. Se seleccionó la mejor ruta con dos criterios: el menor periodo de hidrólisis y la mayor concentración de glucosa. Esto para su posterior réplica y simulación del proceso en Aspen plus®. La ruta escogida fue la hidrólisis por medio del microorganismo Trichoderma spp., debido a que, la hidrólisis tarda alrededor de 4 a 6 días; mientras que por los otros microorganismos entre 7 y 9 días. Además, su concentración registrada en las pruebas fue la mayor, con 11 % de glucosa. A partir de 1 kg de higuerilla se puede producir entre 50 y 100 mililitros de solución líquida con bioetanol en concentración de volumen de hasta 0,2437. Adicional, se analizaron los impactos ambientales en cuanto a la producción a nivel de laboratorio. Para obtener 100 mililitros de etanol se generan 2,8 kg de CO2 equivalente, siendo el uso de energía eléctrica el que más impacta al medio ambiente. De igual forma, se evaluó la producción en Aspen Plus® con una capacidad de 10,11 toneladas diarias, de las cuales se pueden obtener 978,10 litros diarios de bioetanol con pureza del 98,9 % |
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Jaimes Reatiaga, Luis EduardoChalela Alvarez, GracielaCastro Hernández, YohanaAgudelo López, William AndrésSerrano Cabeza, NicholasJaimes Reatiaga, Luis Eduardo [0001359725]Jaimes Reatiaga, Luis Eduardo [dLRj8R4AAAAJ]Jaimes Reatiaga, Luis Eduardo [0000-0003-0987-6159]Jaimes Reatiaga, Luis Eduardo [Luis_Eduardo_Jaimes_Reatiga]Bucaramanga (Santander, Colombia)20192020-08-03T17:46:00Z2020-08-03T17:46:00Z2019http://hdl.handle.net/20.500.12749/7141instname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABreponame:Repositorio Institucional UNABrepourl:https://repository.unab.edu.coEl proceso de extracción de aceite de higuerilla genera un residuo conocido como torta de higuerilla. Esta biomasa contiene aproximadamente 40,2 % de celulosa. Por medio de los microorganismos: Aspergillus niger, Trichoderma spp. y Rhizopus spp., se plantearon algunas rutas para la hidrólisis enzimática de la celulosa que permitiera la producción de glucosa y, posteriormente, bioetanol a través de vía fermentativa por Saccharomyces cerevisiae. Se seleccionó la mejor ruta con dos criterios: el menor periodo de hidrólisis y la mayor concentración de glucosa. Esto para su posterior réplica y simulación del proceso en Aspen plus®. La ruta escogida fue la hidrólisis por medio del microorganismo Trichoderma spp., debido a que, la hidrólisis tarda alrededor de 4 a 6 días; mientras que por los otros microorganismos entre 7 y 9 días. Además, su concentración registrada en las pruebas fue la mayor, con 11 % de glucosa. A partir de 1 kg de higuerilla se puede producir entre 50 y 100 mililitros de solución líquida con bioetanol en concentración de volumen de hasta 0,2437. Adicional, se analizaron los impactos ambientales en cuanto a la producción a nivel de laboratorio. Para obtener 100 mililitros de etanol se generan 2,8 kg de CO2 equivalente, siendo el uso de energía eléctrica el que más impacta al medio ambiente. De igual forma, se evaluó la producción en Aspen Plus® con una capacidad de 10,11 toneladas diarias, de las cuales se pueden obtener 978,10 litros diarios de bioetanol con pureza del 98,9 %Resumen IX Lista de figuras XIV Lista de tablas XVI Introducción 1 1. Marco referencial 3 1.1 Marco teórico 3 1.1.1 Higuerilla (Ricinus communis) 3 1.1.2 Aplicaciones de la semilla de higuerilla (Ricinus communis) 5 1.1.3 Torta de higuerilla como biomasa lignocelulósica 6 1.1.4 Composición de la torta de higuerilla 7 1.1.5 Producción de bioetanol a partir de torta de higuerilla 9 1.1.6 Producción anual de bioetanol en Colombia 10 1.1.7 Procesos de obtención de bioetanol a partir de torta de higuerilla 11 1.1.8 Microrganismos usados en la hidrólisis enzimática de la torta de higuerilla 15 2. Metodología de investigación. 18 3. Producción de bioetanol a partir del residuo del proceso de extracción de aceite de higuerilla. 19 3.1 Cultivo de las cepas de Aspergillus niger, Trichoderma spp. y Rhizopus spp. 19 3.1.1 Método de adaptación de hongo a medio con torta de Ricinus communis 20 3.2 Proceso de hidrólisis enzimática de la torta de higuerilla (Ricinus communis) 22 3.2.1 Diseño y pretratado de biorreactores y de torta de higuerilla (Ricinus communis) 22 3.2.2 Inoculación de hongos filamentosos en los biorreactores de hidrólisis 24 3.2.3 Control del proceso de hidrólisis enzimática, mediciones de pH, celulosa y glucosa. 25 3.2.4 Lavado del biorreactor y obtención de jugo rico en azúcar libre (glucosa) 29 3.3 Proceso de fermentación con levadura del género Saccharomyces cerevisiae 29 3.3.1 Activación de la levadura del género Saccharomycescerevisiae. 30 3.3.2 Adición de levadura activada a jugo rico en azúcar libre (glucosa) 30 3.4 Proceso de destilación de solución post- fermentación 30 3.5 Medición de concentración de etanol en producto destilado 31 3.6 Réplica del proceso de producción de bioetanol 32 3.6.1 Replica (I) por hidrólisis enzimática de Trichoderma spp. 33 3.6.2 Réplica (II) por acción enzimática de Trichoderma spp. 33 3.6.3 Réplica (III) por hidrólisis enzimática de Aspergillus niger 34 3.6.4 Réplica de proceso de fermentación 34 3.6.5 Réplica del proceso de destilación 34 3.7 Análisis elemental de residuo solido post hidrólisis 35 3.7.1 Análisis de carbono orgánico total 35 3.7.2 Análisis de fosforo total 35 3.7.3 Análisis de potasio total 36 3.7.4 Análisis de nitrógeno total 36 3.8 Análisis de cromatografía 38 4. Resultados de producción de bioetanol 39 4.1 Resultados del cultivo de Aspergillus niger, Trichoderma spp. y Rhizopus spp. 39 4.2 Resultados del proceso de hidrólisis enzimática de la torta de higuerilla (Ricinus communis) 42 4.2.1 Resultados de hidrólisis enzimática por acción del Trichoderma spp. 42 4.2.2 Resultados de la hidrólisis enzimática por acción de Rhizopus spp. 44 4.2.3 Resultados de la hidrólisis enzimática por acción del Aspergillus niger. 47 4.2.4 Observaciones generales y lavado de biorreactores de hidrólisis 51 4.3 Resultados del proceso de fermentación 51 4.4 Resultados del proceso de destilación 53 4.5 Resultados de cálculo de concentración de etanol por el método de determinación de la densidad de líquidos con el picnómetro de Gay-Lussac 54 4.6 Resultados de proceso de replica 55 4.6.1 Resultados de Replica (I) por acción enzimática de Trichoderma spp. 56 4.6.2 Resultados de Replica (II) por acción enzimática de Trichoderma spp. 58 4.6.3 Resultados de Replica (III) por acción enzimática de Aspergillus niger. 60 4.6.4 Resultados de la réplica de proceso de fermentación 62 4.6.5 Resultados de la réplica del proceso de destilación. 63 4.7 Resultado del análisis elemental de residuo solido post hidrólisis 65 4.7.1 Resultado del análisis de carbono orgánico total 65 4.7.2 Resultado del análisis de fosforo total 65 4.7.3 Resultado del análisis de potasio total 65 4.7.4 Resultado del análisis de nitrógeno total 66 4.8 Resultados del análisis de cromatografía 66 5. Simulación de la línea de producción en Aspen plus® 68 5.1 Definición de componentes 69 5.2 Implementación del diagrama de bloques 70 5.2.1 Construcción de la simulación 72 5.3 RESULTADOS DE LA SIMULACION DE LA LINEA DE PRODUCCION EN ASPEN PLUS® 75 5.3.1 Resultados de simulación de hidrólisis enzimática 79 5.3.2 Resultados de simulación de fermentación y captura de carbono 80 5.3.3 Resultados de simulación de destilación 83 6. Análisis de impactos ambientales 86 6.1 Metodología 86 6.2 Definición del objetivo del ACV 87 6.3 Unidad funcional 87 6.4 Alcance del ACV 88 6.5 Inventario de ciclo de vida 89 6.6 Evaluación de impacto 91 7. Resultados de la simulación de los impactos ambientales 93 7.1 Categorías de impacto Midpoint 93 7.1.1 Cambio climático 93 7.1.2 Acidificación terrestre 95 7.1.3 Eutrofización del agua 97 7.1.4 Formación de ozono 99 7.1.5 Agotamiento de recursos fósiles 101 7.2 Categorías de impacto Endpoint 103 7.2.1 Daño a la salud humana 103 7.2.2 Daño a los ecosistemas 105 7.2.3 Agotamiento de recursos 107 8. Conclusiones y Recomendaciones 110 8.1 Conclusiones 110 8.2 Recomendaciones 111 Bibliografía 112PregradoThe castor bean oil extraction process generates a residue known as castor bean cake. This biomass contains approximately 40.2% cellulose. By means of microorganisms such as Aspergillus niger, Trichoderma spp. and Rhizopus spp., some routes for the enzymatic hydrolysis of cellulose were proposed that would allow the production of glucose and, subsequently, bioethanol through fermentation. The best route was chosen with two criteria: the shortest hydrolysis period and the highest glucose concentration. This for a posterior replication and simulation of the process in Aspen plus®. The chosen route was the hydrolysis generated by the microorganism Trichoderma spp., because its hydrolysis takes about 4 to 6 days; while by other microorganisms takes between 7 and 9 days. In addition, its concentration recorded in the tests was the highest, with 11% glucose. Between 50 and 100 milliliters of liquid solution containing bioethanol in volume concentration up to 0.2437 can be produced from 1 kg of castor bean cake. In addition, environmental impacts in terms of production were analyzed at the laboratory scale. In order to obtain 100 milliliters of ethanol, 2.8 kg of CO2 equivalent are generated, being the use of electric energy the input that most impacts the environment. Similarly, the production of Aspen Plus® was evaluated with a capacity of 15 tons per day, from which 1435.14 liters per day of bioethanol with 98.9% purity can be obtainedapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaProducción de bioetanol a partir del residuo del proceso de extracción de aceite de higuerilla (Ricinus Communis) y análisis de sus impactos ambientalesBioethanol production from the residue of the castor oil extraction process (Ricinus Communis) and analysis of its environmental impactsIngeniero en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABPregrado Ingeniería en Energíainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPEnergy engineeringBioethanolEnzymatic hydrolysisInnovaciones tecnológicasAceite de ricinoBiomasaBiodiéselIngeniería en energíaBioetanolRicinus communisHidrólisis enzimáticaAspergillus nigerTrichoderma sppRhizopus sppA. de J. 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