Análisis de sistemas bifásicos acuosos con sales inorgánicas para separar la mezcla bioproducto-agua

Abstract

Many investigations have focused on the conversion of biomass to obtain bioproducts, since it is a renewable resource with which energy needs can be met with less damage to the environment. When the bioproducts are obtained in the fermentation broths, separation and purification techniques are required since high purities, for example 99% for ethanol, are needed to use them. Although there are several separation techniques for mixtures of alcohols and water, such as extractive distillation and azeotropic distillation, less expensive procedures are needed to allow the success of biorefineries. This research presents the application of two-phase aqueous systems (ATPS) as a liquid-liquid extraction (ELL) process for the recovery and purification of bioproducts (ethanol and butanol), using inorganic salts to induce the formation of the two phases. Under the principle that the salt gives rise to a very concentrated phase in alcohol requiring smaller separation columns for separation, decreasing the energy requirement and, consequently, lower costs in the separation process. For this purpose, experimental ATPS data were generated for the systems: Inorganic salt (K2HPO4 / NaH2PO4 / K3PO4 / KF) + ethanol + water, inorganic salt (K2HPO4 / NaH2PO4 / K3PO4 / Na2SO4 / K2SO4 / NaF) + butanol + water. A simulation was performed in Aspen plus where it was proved that this process is technically possible because it manages to bring ethanol and butanol from a 10% concentrated solution to a purity of 99%, with a 92.78% recovery, using K2HPO4 as a separation agent. The proposed separation process consists of an extraction column to purify the bioproduct and a dryer to recirculate the salt.

Muchas investigaciones se han centrado en la conversión de la biomasa para obtener bioproductos, pues se trata de un recurso renovable con el que se pueden atender necesidades energéticas con un menor daño al ambiente. Cuando los bioproductos son obtenidos en los caldos de fermentación se requieren técnicas de separación y purificación ya que para utilizarlos se necesitan altas purezas, por ejemplo, del 99% para el etanol. Aunque existen varias técnicas de separación para las mezclas de alcoholes y agua, como la destilación extractiva y la azeotrópica, se necesitan procedimientos menos costosos que permitan el éxito de las biorefinerías. Esta investigación presenta la aplicación de sistemas de dos fases acuosas (ATPS) como un proceso de Extracción líquido-líquido (ELL) para la recuperación y purificación de bioproductos (etanol y butanol), utilizando sales inorgánicas para inducir la formación de las dos fases. Bajo el principio de que la sal da lugar a una fase muy concentrada en alcohol requiriendo columnas de separación más pequeñas para la separación, disminuyendo el requerimiento energético y, por consecuencia, menores costos en el proceso de separación. Para este fin se generaron datos experimentales de ATPS para los sistemas: Sal inorgánica (K2HPO4 / NaH2PO4 / K3PO4 / KF) + etanol + agua, sal inorgánica (K2HPO4 / NaH2PO4 / K3PO4 / Na2SO4 / K2SO4 / NaF) + butanol + agua. Se realizó una simulación en Aspen plus donde se comprobó que este proceso es técnicamente posible pues logra llevar al etanol y butanol de una disolución concentrada al 10% a una pureza del 99%, con un 92.78 % de recuperación, utilizando K2HPO4 como agente de separación. El proceso de separación planteado consta de una columna de extracción para purificar el bioproducto y un secador para la recircular la sal.