Remoción de etanol en sistemas de fermentación alcohólica mediante pervaporación

Abstract

El etanol es uno de los principales combustibles renovables que se usan en la actualidad. Su producción se ha visto limitada principalmente por los altos consumos energéticos en su separación y purificación. El presente trabajo estudia la posibilidad de reducir éste consumo energético implementando un fermentador integrado con un pervaporador (SFP de sus siglas en inglés “Simultaneous Fermentation and Pervaporation”). En esta investigación se sintetizaron membranas de PDMS, sobre gamma alúmina, con diversas condiciones de fabricación. Se evaluó el flux y el factor de separación de las membranas en la separación de mezclas etanol-agua a concentraciones bajas de etanol, obteniendo un conjunto de membranas que poseen un factor de separación similar a la mayoría de membranas de PDMS puro halladas en la literatura y una permeabilidad de etanol seis veces superior. Adicionalmente se estudió el efecto de la presencia de CO2 en la pervaporación de mezclas de etanol-agua, encontrándose un aumento tanto del flux como del factor de separación. Varias de las mediciones experimentales de flux fueron usadas para ajustar los parámetros de un modelo de solución difusión (Ley de Henry- Maxwell-Stefan). El modelo predice los resultados experimentales de flux de etanol y agua con un error máximo del 10%. Este modelo de solución-difusión fue utilizado para el modelamiento de varios tipos de sistemas integrados de fermentación y pervaporación: reactor por lotes (SFPL), reactor continúo (SFPC) y reactor oscilatorio (SFPO). La energía requerida en la destilación, para obtener 1 kg de etanol al 95% v/v del sistema de fermentación y pervaporación oscilatorio (SFPO) es 35.18% menor a la requerida por la fermentación convencional (Texto tomado de la fuente)

Ethanol is an important renewable fuel. Its production has been limited mainly by energy consumption in separation and purification. This work studies the possibility of reducing the energy consumption by implementing a Simultaneous Fermentation and Pervaporation system (SFP). In this investigation PDMS membranes were synthesized on gamma alumina, with various manufacture conditions. The flux and separation factor performance of the membranes were evaluated in the pervaporation of ethanol-water mixtures at low concentrations of ethanol. It was possible to obtain a set of membranes that have similar separation factor and an ethanol permeability six times greater than the ones found in literature for PDMS membranes. The effect of CO2 on the pervaporation was also studied, an increment in the flux and separation factor were found. Several experimental flux measurements were used to adjust solution diffusion model (Henry's Law, Maxwell-Stefan) parameters. The model predicts the experimental results with a maximum error of 10%. This solution-diffusion model was used for modeling various types of simultaneous fermentation and pervaporation systems: batch reactor (BSFP), continuous reactor (CSFP) and oscillatory reactor (OSFP). The energy required to obtain 1 kg of ethanol 95% v/v for the oscillatory simultaneous fermentation and pervaporation system (OSFP) was found to be 35.18% lower compared to the conventional fermentation process.