Diseño de un fermentador para el aprovechamiento del bagazo de caña de azúcar y el raquis de palma africana

El incremento de las emisiones globales de carbono y la creciente preocupación por los problemas ambientales, junto con los altos costos del petróleo, la inseguridad en el abastecimiento energético y los desafíos asociados al cambio climático, han generado un notable interés en el avance de fuentes de energía limpia. Considerando esta problemática, se diseñó un biorreactor que evalúa el impacto energético, la eficiencia de conversión de los microorganismos y el potencial impacto ambiental al utilizar glucosa derivada de la hidrólisis de materiales lignocelulósicos como sustrato. Este enfoque apunta a la producción de productos de segunda generación, los cuales ofrecen múltiples beneficios al reducir la dependencia de combustibles fósiles. Además, responde de manera positiva a la creciente demanda global de energía, mejorando la seguridad energética sin comprometer la seguridad alimentaria y promoviendo el desarrollo sustentable mediante prácticas responsables. En este contexto, la investigación aborda una revisión bibliográfica y análisis de datos a partir del uso de la herramienta Vantage Point con el objetivo de determinar el biocombustible con el mejor potencial de aprovechamiento, considerando su capacidad energética, el interés científico en los últimos años, alta productividad e impacto ambiental. Por tanto, se tomaron como referencia de estudio el biohidrógeno, biometano, bioetanol y biobutanol. Una vez estudiados cada uno de los biocombustibles se determinó que el biobutanol muestra el mayor potencial energético, asimismo, se evidenció que en los últimos años el interés científico ha ido en aumento con grandes avances a la fecha, y un factor predominante que tiene el biobutanol sobre el bioetanol es una mayor facilidad de manejo, considerando que es menos higroscópico y que puede mezclarse con la gasolina en cualquier proporción, cosa que no puede realizarse con el bioetanol. Otro factor importante por el cual se eligió el biobutanol como biocombustible objetivo, son los subproductos asociados al proceso, considerando que se generan compuestos de alto interés económico como Acetona, Ácido acético y el Ácido butírico que al considerarse en conjunto aumentan la viabilidad económica global del proceso productivo. En aras de diseñar el biorreactor, se determinó que la cepa Clostridium Saccharoperbutylacetonicum N1-4, presenta el mejor potencial para la biosíntesis de butanol teniendo en cuenta su productividad, conversión de glucosa, tolerancia a los solventes y además de que al no producir etanol disminuye notablemente los gastos de separación de los subproductos valiosos. Con la información obtenida de la cienciometría y considerando el código americano de diseño ASME, se logró diseñar un biorreactor con una capacidad de 5 litros, para el estudio a escala laboratorio; para ello se llevaron a cabo 4 etapas; diseño del tanque de fermentación, diseño del intercambiador de calor, condiciones de operación y diseño del agitador, y las adaptaciones de corrientes de entrada y accesorios asociados al proceso. Finalmente, se realizó la simulación en el programa SuperPro Designer siguiendo la estequiometría de la reacción reportada por Franciso Vela (Vela Aragón, 2008), tomando como temperatura y presión de operación 32°C y una atmósfera respectivamente. Obteniendo como resultado una concentración de poco más de 12 g/L en la corriente de productos fermentados, para una concentración inicial de glucosa proveniente de hidrólisis de bagazo de caña de azúcar y raquis de palma africana de 50g/L.

The increase in global carbon emissions and the growing concern over environmental issues, along with the high costs of oil, energy supply insecurity, and the challenges associated with climate change, have generated significant interest in advancing clean energy sources. In response to these challenges, a bioreactor was designed to evaluate the energy impact, conversion efficiency of microorganisms, and potential environmental impact when using glucose derived from the hydrolysis of lignocellulosic materials as a substrate. This approach aims to produce second-generation products, which offer multiple benefits by reducing dependence on fossil fuels. Additionally, it positively addresses the growing global energy demand, enhances energy security without compromising food security, and promotes sustainable development through responsible practices. In this context, the research involved a literature review and data analysis using the Vantage Point tool to determine the biofuel with the best potential, considering its energy capacity, scientific interest in recent years, high productivity, and environmental impact. Therefore, biohydrogen, biomethane, bioethanol, and biobutanol were selected as study references. Upon studying each of these biofuels, it was determined that biobutanol exhibits the highest energy potential. Furthermore, it was noted that scientific interest in biobutanol has been increasing in recent years, with significant advancements to date. A key advantage of biobutanol over bioethanol is its easier handling, as it is less hygroscopic and can be mixed with gasoline in any proportion, which is not possible with bioethanol. Another important factor for selecting biobutanol as the target biofuel is the associated by-products, which include economically valuable compounds such as Acetone, Acetic Acid, and Butyric Acid, thereby increasing the overall economic viability of the production process. To design the bioreactor, the strain Clostridium Saccharoperbutylacetonicum N1-4 was identified as having the best potential for butanol biosynthesis, considering its productivity, glucose conversion, solvent tolerance, and the fact that it does not produce ethanol, which significantly reduces the costs of separating valuable by-products. Using the information obtained from scientometrics and considering the American design code ASME, a bioreactor with a 5-liter capacity was designed for laboratory-scale studies. The design process involved four stages: the fermentation tank design, heat exchanger design, operating conditions, agitator design, and the adaptation of input streams and process-associated accessories. Finally, a simulation was conducted using the SuperPro Designer software, following the reaction stoichiometry reported by Francisco Vela (Vela Aragón, 2008), with an operating temperature and pressure of 32°C and one atmosphere, respectively. The result was a concentration of just over 12 g/L in the fermented product stream, starting with an initial glucose concentration from the hydrolysis of sugarcane bagasse and African palm rachis of 50 g/L.

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