Resumen

Se simuló un fermentador integrado con extracción líquido-líquido para la producción de butanol, y se propuso un esquema de separación final mediante destilación. Mediante el uso de reactores integrados se disminuye la toxicidad del butanol para la bacteria que lo sintetiza, y se mejora el desempeño de la fermentación convencional. Las simulaciones fueron realizadas con los software Aspen Plus® y Matlab®. El dodecanol se usará como extractante. En todas las simulaciones se alcanzó una conversión de sustrato de 0.98. En comparación de un reactor integrado sin recirculación, un reactor integrado con recirculación de biomasa necesita 41% menos de dodecanol para alcanzar una productividad de 1.1 gL-1h^-1. En comparación de un reactor convencional, alimentado sustrato a 180 gL^-1 de manera continua se logra mejorar elevar la productividad en dos veces, aumentar el rendimiento de solventes de 0.34 a 0.36, y disminuir los requerimientos energéticos en 32%.

Introducción 

En el 2008 el n-butanol tuvo una producción mundial de 5-10 millones de toneladas [1,2], y está siendo considerado como un posible biocombustible porque en comparación con el etanol tiene mayor contenido energético, menor presión de vapor y puede ser transportado por las tuberías existentes para la gasolina. El butanol es producido principalmente por vía petroquímica, debido a que la producción por vía fermentativa tiene bajos rendimientos, bajas productividades y altos requerimientos energéticos. El bajo desempeño de la fermentación, es atribuido principalmente a la alta toxicidad del butanol para el microorganismo que lo produce [3]. 

Las principales clostridias usadas para esta fermentación son, C. acetobutylicum, C. saccharobutylicum, C. beijerinckii y C. saccharoperbutylacetonicum [4]. La principal ventaja de las clostidias solventogéneticas es el alto rango de consumo de azúcares, tales como, glucosa, sacrosa, lactosa, xilosa, xilan, almidón y glicerol [5]. En la fermentación acetobutílica o ABE se producen acetona y etanol como los principales subproductos. En tiempos recientes, se han desarrollado cepas no nativas capaces de producir exclusivamente isobutanol. Sin embargo, las concentraciones de butanol en el fermentador aún son bajas, con concentraciones menores a 22 gL^-1 [6]. 

Una manera de elevar la concentración de producto y elevar el desempeño de la fermentación es mediante el uso de reactores integrados [3]. En los reactores integrados el butanol es removido selectivamente del fermentador, elevando la concentración de producto y disminuyendo el efecto toxico e inhibitorio sobre el microorganismo. Existen diferentes técnicas de separación de butanol que pueden ser integradas con la fermentación, tales como la extracción líquido líquido [7], la pertracción [8], la pervaporación [9], la adsorción [10] y la evaporación a vacío [11]. 

Qureshi et al., 2005 reportó la evaluación energética de diferentes técnicas de recuperación en reactores integrados para la separación de butanol [10]. Entre las técnicas evaluadas, la extracción líquido y la adsorción alcanzaron la más alta eficiencia energética, con un requerimiento respectivo de 8.2 y 8.9 MJ/kg de butanol. En ese trabajo no son reportados los detalles del esquema de separación, como el tipo del extractante, el esquema de separación, la recuperación de solventes o la concentración final de los productos. Kraemer et al. 2011 desarrolló un sistema reacción integrado usando metilsileno como extractante [12], el cual alcanzó los más bajos requerimientos de energía en la literatura (4.8 MJ/Kg). Sin embargo, en este esquema se obtiene butanol, acetona y etanol, con una pureza respectiva de 0.84, 0.82 y 0.14. Aunque las concentraciones de metilsileno alimentadas al reactor son bajas, no existe conocimiento del efecto de la toxicidad de butanol sobre la fermentación. 

En este trabajo se simulará a diferentes condiciones un reactor integrado con equilibrio líquido-líquido. En este estudio se usará un extractante biocompatible con el microorganismo, el dodecanol. Para la evaluación energética se propuso un sistema de recuperación final capaz de obtener butanol, acetona y etanol a una pureza del 99.9 %, 99% y 90%, respectivamente. 

• Materias:Fermentación Métodos de simulación Destilación Reactores químicos Reacciones químicas Modelos matemáticos
• Subjects:Fermentation Simulation methods Distillation Chemical reactors Chemical reactions Mathematical models
• Palabras claves:dodecanol, clostridium, decantador, butanol, software Aspen Plus, software Matlab
• Keywords:dodecanol, clostridium, decanter, butanol, Aspen Plus software, Matlab software