Evaluación técnico-económica preliminar de la producción de Butanol mediante intensificación de fermentación ABE, utilizando Clostridium acetobutylicum IBUN IV, y destilación Flash

Abstract

Este trabajo presenta una evaluación preliminar de la producción de butanol mediante intensificación de la fermentación ABE, utilizando la cepa Clostridium acetobutylicum IBUN IV, caracterizada por su alta tolerancia al butanol y por no producir etanol. Se desarrolló un modelo cinético específico basado en datos experimentales en biorreactor, que contempla la limitación de sustrato y la inhibición tanto por sustrato como por productos. Adicionalmente, se estudió el equilibrio líquido-vapor del caldo fermentado mediante un diseño experimental en un equipo con reflujo, a partir del cual se construyó un modelo de superficie de respuesta de segundo orden. Con esta base, se evaluaron configuraciones para el proceso, incluyendo la propuesta que combina fermentación cíclica con biorreactores en serie y una etapa inicial de separación por destilación flash, simulando la fermentación en MATLAB® y la secuencia de separación en Aspen Plus®. Posteriormente, se estimaron los costos fijos y operativos de una planta con capacidad de 3.000 toneladas anuales de butanol, utilizando el software APEA® y ecuaciones de dimensionamiento de equipos. Aunque la integración tecnológica mostró beneficios en la reducción de los requerimientos energéticos, la evaluación financiera arrojó un Valor Presente Neto (VPN) negativo, una Tasa Interna de Retorno (TIR) de 0,08 % y un periodo de recuperación de 14,9 años, lo cual indica que el proceso no es económicamente viable bajo las condiciones evaluadas. No obstante, el análisis para una cepa con mayor producción de butanol, muestra que este cambio permitiría mejorar los indicadores económicos, aunque sin alcanzar aún la viabilidad financiera del proyecto (Texto tomado de la fuente).

This work presents a preliminary techno-economic evaluation of butanol production through the intensification of ABE fermentation, using the strain Clostridium acetobutylicum IBUN IV, characterized by its high tolerance to butanol and its inability to produce ethanol. A specific kinetic model was developed based on experimental data obtained in a bioreactor, accounting for substrate limitation as well as inhibition by both substrate and product. Additionally, the vapor-liquid equilibrium of the fermented broth was studied through an experimental design implemented in a reflux-based system, from which a second-order response surface was constructed. On this basis, an integrated process was designed, combining fermentation with an initial separation stage via flash distillation. Fermentation was simulated in MATLAB®, and the separation sequence was modeled in Aspen Plus®. Subsequently, fixed and operating costs were estimated for a plant with a capacity of 3,000 tons of butanol per year, using APEA® software and equipment sizing equations. Although the proposed integration showed technical benefits, particularly in reducing energy requirements, the financial evaluation resulted in a negative Net Present Value (NPV), an Internal Rate of Return (IRR) of 0.08%, and a payback period of 14.9 years, indicating that the process is not economically viable under the evaluated conditions. Nevertheless, an alternative strain with higher butanol production was proposed, leading to improved economic indicators, although still falling short of achieving overall financial viability for the project.