Desarrollo de un proceso intensificado para la producción de acetato de isoamilo mediante tecnología de membranas

Abstract

El aceite de fusel es un residuo agroindustrial obtenido durante la producción de etanol por fermentación, el cual está constituido por una mezcla de alcoholes pesados. El principal componente del aceite de fusel es el alcohol isoamílico. En este trabajo se propone el uso de dicho alcohol isoamílico en un proceso de esterificación con ácido acético para la obtención de acetato de isoamilo, un producto de valor agregado con múltiples aplicaciones en la industria química, alimenticia y farmacéutica. Para ello, se propone el uso de un proceso simultáneo de reacción-separación con membranas denominado pervaporación. El diseño de este proceso involucra el estudio de cuatro aspectos básicos: las características termodinámicas de la mezcla reactiva, la cinética de la reacción química, la síntesis, preparación, caracterización y evaluación de una membrana selectiva al agua y el diseño conceptual del proceso, simulación, optimización y evaluación económica. Se presenta un modelo de actividad para el sistema bajo estudio correlacionado a partir de datos experimentales, que resulta tener mejores capacidades predictivas que los previamente disponibles. Se ajustaron modelos cinéticos tanto para la reacción no-catalizada como para la reacción catalizada por la resina de intercambio Amberlite IR-120. Una membrana cerámica del tipo xerogel hidrofílico de sílice fue fabricada, caracterizada y probada experimentalmente para la realización del proceso, correlacionándose un modelo de permeación. Se presenta el diseño y evaluación experimental de dos prototipos a escala de laboratorio para el proceso de pervaporación reactiva. Finalmente, se presenta un estudio de simulación del proceso que hace uso de los modelos termodinámicos, cinéticos y de permeación previamente validados. Entre diferentes alternativas tecnológicas evaluadas, los procesos con membrana resultan ser más competitivos que las tecnologías convencionales, por usar las materias primas de una manera más eficiente, así como por su menor costo y consumo energético.

Abstract. Fusel oil is a mixture of heavy alcohols generated as an agricultural residue during the fermentative production of ethanol. Isoamyl alcohol is the main component of fusel oil. In this work, it is proposed the use of such isoamyl alcohol in a esterification process with acetic acid to obtain isoamyl acetate, a value added product with multiple applications in the chemical, food and pharmaceutical industries. A simultaneous reaction-separation process called pervaporation, a membrane technology, is proposed. Process design involves four basic aspects: thermodynamic features of the reactive mixture; reaction kinetics; synthesis, fabrication, characterization and evaluation of a suitable membrane selective to water; process synthesis and conceptual design including simulation, optimization and economic evaluation. An activity model is presented for the system, correlated using experimental data, which has better prediction capabilities than the current available models. Kinetic models were fitted for the non-catalytic and catalytic reaction using ion exchange resin Amberlite IR-120. A ceramic hydrophilic xerogel membrane was developed and tested for the process and a permeation model was proposed. It is shown the design and experimental evaluation of two laboratory scale prototypes for reactive pervaporation process. Finally, a simulation study is presented that uses the aforementioned thermodynamic, kinetic and permeation models, previously validated. Among different process alternatives, membrane processes are more competitive than conventional technologies because they are more efficient using raw materials and for its lower cost and energy requirements.