Presentación de la Tesis del Master

Trabajo Fin de MásterMáster en Ingeniería Química

Autor: José Luis Moltó Marín

Directores: Luis Fernando Bautista Santa Cruz Victoria Morales Pérez

Universidad Rey Juan CarlosUniversidad Autónoma de Madrid

14-Mar-16 Trabajo Fin de Máster en Ingeniería Química - José Luis Moltó Marín 1

TÍTULO DEL PROYECTO:

Escalado y diseño de un proceso optimizado de la microalga Spirulina para la extracción de lípidos y producción de biogás


Contenido


• Introducción

• Objetivos

• Metodología y herramientas de cálculo

• Solución técnica y resultados

• Conclusiones y recomendaciones

Introducción


Introducción (I): Energía


http://www.slideshare.net/MATUSHRI/biomass-energy-power-point-presentation-by-kishan

Introducción (II): Biofuel


Introducción (III): Biofuel G3


Production

Open Ponds

Closed PBR

Hybrid Systems

Simple Ponds

Raceway Ponds

Vertical Tubilar PBR

Airlift PBR

Bubble Column PBR

Flat Panel PBR

Open and Closed Reactor

Combination

Harvesting

Bulk Harvesting

Thickening

Flocculation

Flotation

Centrifugation

Filtration

Ultrasonic Aggregation

Gravity sedimentation

Production

Thermo-

chemical

Conversion

Biochemical

Conversion

Gasification

Hydrothermal Liquifaction

Anaerobic Digestion

Alcoholic Fermentation

Photobiological H2 Production

Pyrolysis

Direct Combustion

Charcoal

Biooil

Syngas

Electicity

Biogas

Ethanol

Hydrogen

Others

Others

Other: Helical-Type, Stirred-Tanks

Transesterification Biodiesel

Production

Open Ponds

Closed PBR

Hybrid Systems

Simple Ponds

Raceway Ponds


Airlift PBR

Bubble Column PBR

Flat Panel PBR


Combination

Harvesting

Bulk Harvesting

Thickening

Flocculation

Flotation

Centrifugation

Filtration



Production

Thermo-

chemical

Conversion

Biochemical

Conversion

Gasification


Anaerobic Digestion



Pyrolysis

Direct Combustion

Charcoal

Biooil

Syngas

Electicity

Biogas

Ethanol

Hydrogen

Others

Others



Production

Open Ponds

Closed PBR

Hybrid Systems

Simple Ponds

Raceway Ponds


Airlift PBR

Bubble Column PBR

Flat Panel PBR


Combination

Harvesting

Bulk Harvesting

Thickening

Flocculation

Flotation

Centrifugation

Filtration



Production

Thermo-

chemical

Conversion

Biochemical

Conversion

Gasification


Anaerobic Digestion



Pyrolysis

Direct Combustion

Charcoal

Biooil

Syngas

Electicity

Biogas

Ethanol

Hydrogen

Others

Others



Introducción (IV): Biofuel G3


Proceso FuelMax rendimiento.

kg or L/kgEfficiencia

HHV.

MJ/L or MJ/kg

Combustión directa Biomasa 1.0 de biomasa 80 18.15

Extracción con disolvente Biodiésel 1.0 de lípido 80 35.7

Digestión anaerobia Biogás (62% CH4) 475.8 L/kg de biomasa 95 2.375 x 10-2

Fermentación Etanol 0.51 de carbohidrato 85 23.4

Conversión termoquímica

(pirólisis rápida)Bio-oil 0.553 de biomasa 90 33.64

Introducción (V): Biofuel G3


http://algaebiogas.eu/

Objetivos


Objetivos (I): Generales


• Obtener datos experimentales del crecimiento de la microalga

Spirulina.

• Modelar el crecimiento de la microalga.

• Escalar, diseñar y simular un proceso de extracción de lípidos y

producción de biogas a partir del software SuperPro Designer v9.

This project

Lab work

Manufacture ConstructionProcurement

Alternative selection

Process modelling

Equipment sizing

Equipment costingand raw material accounting

This project

Lab work

Manufacture ConstructionProcurement

Alternative selection

Process modelling

Equipment sizing

Equipment costingand raw material accounting

Objetivos (I): Generales


• Obtener datos experimentales del crecimiento de la microalga

Spirulina.

• Modelar el crecimiento de la microalga.

• Escalar. diseñar y simular un proceso de extracción de lípidos y

producción de biogas a partir del software SuperPro Designer v9

Objetivos (II): Específicos


• Velocidad de crecimiento de la alga.

• Composición de la alga a lo largo del crecimiento.

• Proceso para la producción optima de lípidos y biogás:

• Cultivo→ Recolección → Extracción de lípidos → Digestor

• Balances de materia y energía de la simulación del modelo.

• Costes de capital y de operación.

• Precio mínimo de venta de lípidos para una evaluación

económica.

Objetivos (III): Específicos


• Proyecto INSPIRA1 (http://inspira-cm.org/) financiado por la

Comunidad de Madrid:

http://inspira-cm.org/

Metodología y Herramientas de cálculo


Metodología y Herramientas de cálculo (I)


• Cultivo de microalga en biorreactores.

• Modelado del crecimiento:

• Modelo de dependencia de la luz.

• Modelo de dependencia de la temperatura.

• Modelo de dependencia de nutrientes: N. P. CO2.

• Análisis de proteínas: disrupción y método de Bradford.

𝑑𝑋𝐿𝑑𝑡

= 𝑘1𝑃𝑋𝐿 − 𝑘2𝑋𝐿

𝑃 = 𝑓(𝐼)𝑓(𝑇)𝑓(𝑃)𝑓(𝑁)𝑓(𝐶)

Metodología y Herramientas de cálculo (II)


• Análisis de carbohidratos:

• Totales: Método de Fenol–ácido sulfúrico.

• Solubles: Disolución DNS.

• Análisis de lípidos y ácidos grasos:

• Lípidos totales: Extracción con disolvente.

• Ácidos grasos: Cromatografía de líquidos

• Digestión anaerobia:

• Método directo

• Método indirecto

• Alga completa

Metodología y Herramientas de cálculo (II)


• SuperPro Designer v9.0

• Herramienta para modelar procesos químicos y bioquímicos

• Usado en procesos de algas

• Modo estado estacionario

• Proporciona BMYE, CAPEX y OPEX.

Solución técnica y resultados


• Resultados del cultivo:

• Coeficientes de atenuación:

• Concentración de los nutrientes:

Solución técnica y resultados (I): Cinética y caracterización


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Alg

ae c

once

ntr

atio

n (

g/L

)

Day -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0

5

10

15

20

25

Pho

sp

ha

te (

ppm

)

Day

Nitro

ge

n (

ppm

)

Day

-2-1012345678

0 1 2 3 4 5 6 7

Coeficiente de atenuación de crecimiento de biomasa

f(I) f(T) f© f(N) f(P) P

• Modelado del crecimiento:

• Parámetros:

ParámetroValor en este

trabajo

Valor en

literatura

k1 (día-1) 0.312 0.03-0.49

kNh (mg/L) 0.29 0.29

kPh (mg/L) 0.07 0.02-0.07

Concentración de

biomasa (d.w.g/L)1 0.4-2.6

Solución técnica y resultados (II): Cinética y caracterización


00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

11.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Alg

ae c

once

ntr

atio

n (

g/L

)

Day

Growth modelling

• Resultados de la caracterización:

2 3 4 5 6 7 80

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Pro

tein

conte

nt,

%

Day

Car

bohydra

te c

onte

nt,

%

Day

Lip

id c

onte

nt,

%

Day

Solu

ble

car

bohydra

tes,

%

Day

Solución técnica y resultados (III): Cinética y caracterización


• Tipos de lípidos:

Tipo de lípidos Día 3 Día 5 Día 7

Polares 28.5 32.1 35.2

Mono-/Di-gliceridos 15.6 11.2 14.4

Esteroles and tocoferoles 5.0 3.8 3.3

Tri-gliceridos 21.0 35.4 36.9

Metilésteres 17.1 9.8 2.3

Esterolésteres 12.9 7.7 7.0

Spirulina no tratada: 400 L metano/kg

Proceso indirecto: 395 L metano/kg

Proceso directo: 310 L metano/kg

• Resultados de la digestión

Solución técnica y resultados (IV): Descripción del proceso


• Proceso general: Diagrama de Bloques

THIS PROJECT

Algae Growth Harvesting Lipid ExtractionAnaerobic

digestionBiogas

Water

CO2 Upgrading Biomethane

Cogeneration Energy

Trans-

esterificationBiodiesel

Solución técnica y resultados (V): Descripción del proceso


• Proceso general: Diagrama de Flujo



• Diseño del reactor de algas:

• Entrada:

• Agua salada (33.3 g/L)

• Fosfato (Ortofosfato dihidrógeno de sodio)

• Nitrato (Nitrato de sodio)

• Inóculo: 0.01 g/L

• Gas: 18 % CO2. 70 % N2. 2 % O2 and 10 % water

• Tiempo de residencia: 6.5 días

• 929 reactores de 0.15 ha (300 m3) = 140 ha (278.700 m3)

• C:N:P = 200:40:1

• Reacción:

100 CO2 + 0.5 H2PO4- + 20 NO3- + 89.5 H2O → 100 CH1.8O0.5N0.2P0.005 + 149 O2



• Diseño del reactor de algas:

• Salida:

• Alga: 0.40 g/L

• Gases:

• Concentración de nutrientes en la salida (y en el reactor):

• N: 24 mg N/L

• P: 0.5 mg P/L

• Alga: salen 3.217 kg/h y 81 kg/h se usarían como inóculo (2.5 %).

Componentes Caudal (kg/h) Comp. másica (%) Concentración (g/L)

Diox. de carb. 48 0,04 0,00

Nitrógeno 21.980 20,43 0,93

Oxígeno 6.689 6,22 0,28

Agua 78.871 73,31 3,34

Solución técnica y resultados (VI): Descripción del proceso


• Método de recolección de algas:

• Clarificador: de 0.4 g/L a 5 % (~50 g/L). 98.4 % de recuperación.

• Centrífuga: de 5 % a 15 % (150 g/L). 99 % de recuperación.

La suma de los dos efluentes clarificados se usarían como inóculo

(81 kg/h) y reciclo de nutrientes y agua.

• Método de extracción de lípidos:

• Disrupción: Sonicador (95 % eficacia)

100 Biomass → 31 Carbohydrates + 20 Proteins + 42 Lipids + 7 Ash

• Método indirecto de Soxhlet:

• Separación por decantación: 50 % de los lípidos

• Extracción con disolvente (hexano): Relación hexano:lípidos 6.67:1.

• Centifugación: Lípidos y disolvente – sólidos – fase acuosa.

• Evaporación del disolvente: lípidos 85 %.

• Recirculación del disolvente

Solución técnica y resultados (VII): Descripción del proceso


Solución técnica y resultados (VIII): Descripción del proceso


• Diseño del digestor:

• Temperatura: 30 ºC

• Tiempo de residencia: 17 días

• Volumen: 8.875 m3

• Reacciones:100 Lípidos → 70 CH4 + 30 CO2 (Extensión = 60 %)

100 Proteínas → 60 CH4 + 40 CO2 (Extensión = 50 %)

100 Carbohidratos → 50 CH4 + 50 CO2 (Extensión = 40 %)

100 Biomasa → 60 CH4 + 40 CO2 (Extensión = 20 %)

100 Hexano → 70 CH4 + 30 CO2 (Extensión = 10 %)

• Producción: ~400 L/kg (65 % metano)

Solución técnica y resultados (VIII): Resultados de la simulación


24.900 t de

alga

biomasa al

año

10.460 t de lípidos

14.440 t de fracción

no lipídica: 5.600 t de

biogas (7.943 m3)

Solución técnica y resultados (IX): Resultados de la simulación


• Evaluación económica

Solución técnica y resultados (X): Resultados de la simulación


• Coste de los equipos:

Equipo Cantidad Nombre Descripción Coste Uni. ($) Coste. ($)

Tolva 1 HP-101 Volumen recipiente = 296 L 7.000 7.000

Tolva 1 HP-102 Volumen = 8 L 2.000 2.000

Open Ponds 929 PFAB-101 Volumen = 1.500 m3 167.000 155.143.000

Clarificador 3 CL-101 Surface Area = 1.991 m2 1.024.000 3.072.000

Centrifuga 1 DC-101 Caudal de paso = 63.340 L/h 288.000 288.000

Homogenizador 1 HG-101 Caudal de paso= 20.660 L/h 126.000 126.000

Tanque decantación 1 V-101 Volumen recipiente = 3.201 L 73.000 73.000

Tanque mezcla 1 V-102 Volumen recipiente = 172.943 L 664.000 664.000

Tanque almacenam. 1 V-103 Volumen recipiente = 51.187 L 108.000 108.000

Centrifuga 1 DC-102 Caudal de paso = 25.945 L/h 288.000 288.000

Digestor anaerobio 1 AD-101 Volumen recipiente = 8.875 m3 6.099.000 6.099.000

Cambiador de calor 1 HX-101 Area intercambio= 16,7 m2 46.000 46.000

Evaporador 1 EV-101 Area evaporación= 1,2 m2 121.000 121.000

TOTAL 943 166.036.000

Solución técnica y resultados (XI): Resultados de la simulación


• Inversión total:

• Tiempo de vida de la planta: 20 años

Partida Cost (€)

Coste de compra de equipos 166.036.000

Instalación 34.864.000

Coste directo de compra de equipos 201.392.000

Capital circulante 4.062.000

Puesta en marcha 10.070.000

Inversión total 215.524.000

Solución técnica y resultados (XII): Resultados de la simulación


• Costes de operación

• Coste de material y servicios

• Coste de mano de obra

• Costes de depreciación

Material a granel Unit Cost ($) Annual Amount Annual Cost ($) %

NaNO3 0.40 18.691.200 kg 7.476.480 18,93

NaH2PO4 1.20 633.996 kg 760.795 1,93

NaCl 0.00 2.130.099.048 kg 0.00 0.00

Agua 0.50 62.244.792 m3(STP) 31.122.396 78,79

Biomasa 0.00 639.540 kg 0.00 0.00

CO2 0.00 44.763.840 kg 0.00 0.00

Nitrógeno 0.00 174.081.600 kg 0.00 0.00

Oxígeno 0.00 4.973.760 kg 0.00 0.00

Hexano 0.40 351.062 kg 140.425 0,36

TOTAL 39.500.096 100

Solución técnica y resultados (XIII): Resultados de la simulación


• Costes de operación

• Coste de material y servicios

• Coste de mano de obra

• Costes de depreciación

7,18 $/kg de lípidos

Partida de coste Coste ($) %

Materias Primas 39.500.000 47,74

Dependiente de mano de obra 4.359.000 5,27

Dependiente de los equipos 38.143.000 46,10

Consumibles - -

Tratamiento de residuos - -

Servicios 738.000 0,89

Transportate - -

Miscelaneos - -

Publicidad - -

Patentes - -

TOTAL 82.740.000 100



• Precio mínimo de venta de lípidos:

• Análisis de la tasa del flujo de caja descontado de retorno:

• 20 años de vida de la planta

• 8 % de tasa de flujo de caja descontado de retorno

• VAN = 0

• Precio del biogás 0.15 $/m3(STD) (Ahorro en electricidad y venta del exceso; uso para ‘upgrading’)

8.04 $/kg de lípidos



• Precio mínimo de venta de lípidos

Totales Value Unit

Inversión de capital total 215.524.000 $

Coste de operación 82.752.000 $/año

Principales ingresos 92.833.000 $/año

Otros ingresos 910.000 $/año

Ingresos totales 93.627.000 $/año

Producción total del MP 11.532.000 kg MP/año

Costes de Produción Unitaria 7,18 $/kg MP

Ingresos de producción netos 8,22 $/kg MP

Margen bruto 11,33 %

Retorno de la inversión 11,90 %

Tiempo de recuperación de la inversión 8,41 año

TIR (Después de impuestos) 8 %

VAN (al 8.0% Interés) 0 $



• Análisis del DoE: 1.8 $/kg.

• Coste de los open ponds de 34.000 $/ha en lugar de 111.000 $/ha.

• Vida de la planta de 30 años en lugar de 20.

• Relación de hexano 5:1 en lugar de 6:1.

•Recirculación de materias primas.

• Integración energética del proceso.

• El digestato es vendido como fertilizante

• Utilizan una mayor escala.

Conclusiones y recomendaciones


Conclusiones ...


• En escasez de P=alto en lípidos. N=nutriente limitante.

• Cultivo modelado: concentración de nutrientes y parámetros: T. CO2. I.

• Concentración alcanzable de alga 0.4 g/L.

• Proceso modelado utilizando SuperPro Designer.

• Proceso de 4 etapas: cultivo. recolección. extracción de lípidos y

digestión anaeróbica.

• Inversión total=210M $. y coste operacional=83M $/año (7.18 $/kg P).

• Precio mínimo de lípidos 8.04 $/kg de aceite. No competitivo.

... y recomendaciones


• Validar las tasas de crecimiento de algas y análisis de la

composición a mayor escala.

• Confirmar el rendimiento digestión anaeróbica.

• Reciclo de los nutrientes y agua.

• Variaciones en la producción de algas en las estaciones.

• Reducir los costes y aumentar el rendimiento de los cultivos.

Gracias por su atención


Presentación de la Tesis del Master

Engineering