Estudio del proceso de producción de acetona, butanol y etanol integrando fermentación y extracción líquido-líquido con membranas, a través de modelamiento y simulación

Abstract

El proceso tradicional para obtener butanol como biocombustible se da con la fermentación acetobutílica, donde además se produce acetona y etanol. Esta fermentación está limitada esencialmente por la inhibición de los productos en los microorganismos. Como alternativa de solución, en este trabajo se propuso una extracción líquido-líquido con membranas (ELLM) integrado a la fermentación, para separar de forma continua los productos (acetona, butanol y etanol), y evitar que el proceso se detenga. Se evaluaron los coeficientes de partición (P) de tres solventes preseleccionados para extraer acetona, butanol y etanol, y se obtuvieron los mayores coeficientes P al emplear octanol, con valores hasta 35,9 veces mayores que los de solventes empleados en trabajos anteriores. Para el modelamiento matemático, se propusieron los modelos en estado transitorio de la fermentación ABE y la ELLM de forma individual e integrada. El modelo integrado estuvo conformado por un sistema de 14 ecuaciones diferenciales, 31 ecuaciones algebraicas, 45 variables y 26 parámetros, y describió la fermentación acoplada a la extracción en continuo, después de un arranque de la fermentación en Batch. Con base en esto, se desarrolló una programación numérica en el software Matlab® para simular el proceso y verificar los modelos planteados. Se estableció que los resultados de la simulación eran coherentes con la literatura y las ecuaciones planteadas en los modelos, según análisis de influencia planteados en el software Statgraphics Centurion XVI®. Se simuló la recuperación del solvente mediante una destilación Batch en el software Aspen Plus®. Se obtuvo una pureza de octanol en fondos de 0,999 p/p, y de compuestos ABE en el destilado de 0,997 p/p, después de 4,1 h de operación, con un consumo energético entre 8,3 y 11,0 MJ/kg de butanol, con lo cual es posible reutilizar el solvente y disminuir los costos del proceso.