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Valorización de Residuos, Bioeconomía y Economía Circular, Soledad Gutiérrez, UdelaR, Uruguay
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Soledad Gutiérrez
Operaciones de separación en la valorización de
residuos
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ImportanciaFundamentosEl agua indeseableRecuperar el producto valiosoCómo elegir la separación ideal?
Importancia
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Importancia de las
operaciones de separación
en industrias químicas y
bioquímicas
Tradicionalmente la gran mayoría de las operaciones de separación en la industria química involucran mezclasde compuestos orgánicos derivadosdel petróleo o efluentes de reactoresquímicos que procesan estosmateriales
Los químicos obtenibles de HC puedenserlo de compuestos orgánicosprovenientes de biomasa
Con los procesos biotecnológicosaparecen otros retos relacionados con las operaciones de separación
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Diferencias entre PQ y PBQ
Reactor a alta P y T TRH de horas (tamaño
de equipos) Operación en
continuo Control de proceso
maduro Tecnologías maduras
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Diferencias entre PQ y PBQ
Fermentadores a P y T moderadas
Caldos diluídos TRH de días (equipos varios
órdenes de magnitud mayores)
Operación en batch Control de proceso en
desarrollo Numerosas etapas de
separación/purificación Tecnologías en desarrollo
Adaptado de Recovery of Citric Acid from Fermentation Broth Using Simulated Moving Bed Technology, Ph.D. Thesis , Jinglan Wu (2009). https://d-nb.info/100005490X/34
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González,M; Álvarez, S.; Riera, F.; Álvarez, R. Economic evaluation of an integrated process for lactic acid production from ultrafiltered whey, Journal of Food Engineering, V 80, 2, 2007, 553-561,
Fundamentos
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Proceso de separación
Mezcla a separar
Producto puro 1
Producto puro 2
Producto n
TREN deProcesos de separación
Mezcla a separar
Corr 1 (rica en prod. 1)
Corr 2 ( rica en prod. 2
Corriente residual
IDEAL REAL
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RESALVALOR5 técnicas básicas de separación
a) Creación de nueva fase b) Incorporación de otra fase fluida c) Interponer una barrera d) Separación por agente sólido e) Someter a un campo externo
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RESALVALORAgentes separadores
Agente separador en masa (MSA) para agregado de segunda faseEj. Corriente de gas en proceso de stripping es un MSA
Agente separador energético (ESA) para creación de fasestransferencia de calor o trabajo mecánico hacia la mezcla Ej. Transferencia de calor en destilación
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Ejemplos de separación por creación de fases
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RESALVALOREjemplos de separación por adición de fases
Operación Fase alimentada Fase adicionada Agente separador
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RESALVALORc) Interponer una barrera
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RESALVALORd) Separación por agente sólido
Adsorción
Cromatografía
Intercambio iónico
V/LV/L
V/L
V/L
V/L
L
L
L
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Sea i uno de los C componentes de la alimentación A
Las C ecs. de balance de masa:
NC incógnitas para alimentación conocida
Se requieren (N-1)*C ecs. .. De dónde obtenerlas?
niA n1
A, n2A,….nC
A
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N-1
N
𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ⋯ 𝑛 𝑛
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Tecnologías maduras: destilación, stripping, extracciónL-L, flasheo, destilación extractiva, absorción
Tecnologías en desarrollo: Cristalización, Extracción L-S (lixiviación), Secado, Separación por membranas
Modelo?
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Applications of fluid separation processes in chemical and petrochemical industries Górak and Schoenmakers. Quo vadis Fluid Separation Processes – a German perspective, Oral Presentation,EFCE Working Party on Distiallation, Absorption and Extraction,September 16, 2004, Huelva-España
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Formalizar el balance de masa
Sea i uno de los C componentes de la alimentación A Las C ecs. de balance de masa:
NC incógnitas para alimentación conocida Se requieren (N-1)*C ecs. .. De dónde obtenerlas?
niA n1
A, n2A,….nC
A
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3
N-1
N
𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ⋯ 𝑛 𝑛
Operación madura: modelo matemático
Operación en desarrollo: experimentación
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RESALVALORFactor (Poder) de separación (SP)
A
1
2
𝑎𝑏𝑐.. .. .
i
componentes
𝑆𝑃 ,
𝐶𝐶
𝐶𝐶
S1𝐶 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑖 en la corriente 1
𝐶 , , 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑖 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 2
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El agua indeseable
Agua
RESALVALOR
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Agua 65%
Agua 95%
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Motivación_ el tamboSeparadores mecanizados Extrusora inclinada
1er cono
Separados de sólidos
2do
cono
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Separadores mecanizados Extrusora horizontal
https://www.youtube.com/watch?v=DzhkZDgcjik
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Prensa de tornillo VOLUTE29
Mangone, F.; J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Dewatering Screw Pressing: Model Development and Sensitivity Analysis for Process Understanding. Computer Aided Chemical Engineering Volume 44, (2018) 1879-1884
𝑑𝑉𝐴. 𝑑𝑡
∆𝑃𝜇. 𝑅 𝑅
𝛼 𝜙 𝑅 𝜙
1 𝜙 . 𝜇
𝑃 𝜙 𝑃 , .𝜙
𝜙 1
𝑅 𝜙 𝑅 , .1
1 𝜙𝜙
𝑑𝑤𝑑𝑧
∆𝑃. 𝜌. 𝜋. 𝐷𝜇. 𝑅 𝑅
𝑑𝑥𝑑𝑧
𝑑𝑤𝑑𝑧 .
𝑥 𝑥𝑤
Bolsones de geotextil
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Bolsones de geotextil RESALVALOR
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T. W. Yee, C. R. Lawson, Z. Y. Wang, L. Ding, Y. Liu, 2012, “Geotextile tube dewatering of contaminedsediments, Tianjin Eco-City, China”, Geotextiles and Geomembranes, 31, 39-50
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Modelo y Optimización
Llenado 𝐴 . 𝑛 𝐴 . 1 𝜙
Vaciado 1 𝜙
𝑉 𝐿 𝐷.
.
𝜙 . ,
Mangone, F.; Ferreira, J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Modelling and optimization of a geotextile dewatering tubes process.Computer Aided Process Engineering, Volume 43, (2018) 1371-1376
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Otras opcionesde espesamiento
https://www.flottweg.com/es/la-gama-de-productos/centrifugas/funcionamiento-de-las-centrifugas/
Centrífuga decanter Filtro prensa
Centrífuga de discos
Recuperar un bioproducto
Agua
Producto deseado
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Clasificación_
Bioproductos
Especie biológica
tipo Sub-Tipo Ejemplos
Moléculas pequeñas
Metabolitos primarios
Gases, alcoholes orgánicos, cetonas Etanol, acetona, CO2
Ácidos orgánicos, aminoácidosMono y di sacáridos, Vitaminas
Ac. Láctico, cítrico, lisina, glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa, Ac.ascórbico, Ac. fólico
Metabolitos secundarios
Antibióticos, Esteroides, Hormonas, Fitoquímicos,
CitotoxinasPenicilina, Colesterol, insulina
Biopolímeros
Proteínas Enzimas, Hormonas, Anticuerpos
Celulasa, enzimas industriales (lipasas)
Polisacáridos Dextranos, alginatos, xantano
Ácidos nucleicos
Plásmidos, oligonucleótídos
Lípidos Prostaglandinas, glicerolLCFA
Virus Vacunas, adenovirus, retrovirus
Mat. Celular particulado
Células Eubacterias, Eukariotas, Archeas
Saccharomyces cerevisia , Methanogénicas
Hidrolizados y extractos
Extracto de levadura, de tejidos animales, hidrolizado de suero de leche
Componente celulares
Ribozomas, liposomas
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RESALVALORParticularidades de bioseparaciones
1. Actividad vs. concentración2. Secuencia de etapas 3. Labilidad4. Escala5. Pureza6. Aprobación y manufactura: terapéuticos, profilácticos o
alimenticios se aprueban por la FDA
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Extracción de Penicilina V
Harding K.G. Harrison S. (2016)South African Journal of Chemical Engineering, V 22, pp 23-33
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H20 80%Biomasa 4,5%Penicilina 5,5%
RESALVALOR
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5,5 % 6,1 %
Se pierde 3% aquí
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39%
Se pierde 1,6% aquíRESALVALOR
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Cristales con 5% de agua
Se pierde 4% aquí
RESALVALOR
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Cristales con 0,05% de agua
20% rendimiento
global
RESALVALOR
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Precio de producto y separaciones admisibles
Productos químicos de uso común….10-15%
Ácido láctico……………………………..50%
Penicilina………………………………….. 60%
Etanol Ac. Láctico Xilitol Penicilina Proteínas terapéuticas450 USD/ton 1700 USD/ton 3000 USD/ton 15.000 USD/ton 1E9 USD/ton
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Cómo elegir el tren de separación ideal?
Agua
Producto deseado
SistemáticaRESALVALOR
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Heurísticas para
secuencias de separación
1. Remover componentes inestables, corrosivos o reactivos en las primeras etapas
2. Remover productos finales uno a uno (destilación)
3. Remover en las primeras etapas los componentes de mayor porcentaje en la alimentación
4. Realizar las separaciones más difíciles en ausencia de otros componentes
5. Dejar para las últimas etapas las separaciones que dan lugar a productos de alta pureza
6. Seleccionar secuencias que favorecen distribución equi molar (destilación)
RESALVALOR
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glucosa
Solvente*
mediode cultivo
FermentaciónDisrupción
celularExtracción
por solventeSeparación de
sólidos
Cristalización
aire
Cosecha
agente floculante
Agua residual
Residuofloculado
Solvente
Lavado
Cristales húmedos
Producto
A destilac. y reciclo*
Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M: . Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 27, 2017, Barcelona, Spain
Obtención de betacaroteno a partir de glucosa RESALVALOR
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Síntesis de tren de separación
Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M: . Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 27, 2017, Barcelona, Spain
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Superestructura
Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M: . Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering ESCAPE 27 2017 Barcelona Spain
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Desafíos
Experimentación en separaciones:
Nuevos materiales Adosrbentes, membranas
Solventes
Aditivos: floculantes, de-emulsifiantes
Modelado de operaciones
Bases de datos de propiedades relevantes
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Referencias Hua-Jiang Huanga, Shri Ramaswamya,∗, U.W. Tschirner a, B.V. Ramarao, Separation and Purification Technology 62 (2008)
1–21A review of separation technologies in current and future biorefineries
J. D. Seader, Ernest J. Henley, D. Keith, Roper. Separation process principles : chemical and biochemical operations /.—3rd ed. Wiley, US. 2011, ISBN 978-0-470-48183-7
Mangone, F.; Ferreira, J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Modelling and optimization of a geotextile dewatering tubes process. Computer Aided Process Engineering, Volume 43, (2018) 1371-1376
Mangone, F.; J.; Ferrari, A., Gutiérrez, S. Dewatering Screw Pressing: Model Development and Sensitivity Analysis for ProcessUnderstanding. Computer Aided Chemical Engineering Volume 44, (2018) 1879-1884
Separation and recovery of intracellular betacarotene using a process synthesis frameworkSabol,A, Bertran, A.M. Raftery, J Woodley,J. Gani,R., Karima, M. Proceedings of the 27th EuropeanSymposium on Computer Aided Process Engineering – ESCAPE 27, 2017, Barcelona, Spain
Jinglan Wu Ph.D. Thesis, Recovery of Citric Acid from Fermentation Broth Using Simulated Moving Bed Technology,(2009). https://d-nb.info/100005490X/34
AgricEngInt: CIGR Journal Open access at http://www.cigrjournal.org T. W. Yee, C. R. Lawson, Z. Y. Wang, L. Ding, Y. Liu, 2012, “Geotextile tube dewatering of contamined sediments, Tianjin Eco-
City, China”, Geotextiles and Geomembranes, 31, 39-50 Estado de Situación y manejo ambiental de la cuenca lechera del Santa Lucía, destino y naturaleza de nutrientes y
materia orgánica. (2015). Soledad Gutiérrez, Daniela Toledo. Institución financiadora Instituto Nacional de la Leche. Manual de Recomendaciones de buenas prácticas de manejo de efluentes y excretas de Tambo, (2016) Soledad
Gutiérrez, Ana Bianco, Daniela Toledo. Institución financiadora: INALE
Figuras en diapositivas 28, 32, 35, 36 y 38 reproducidas con permiso de Seader et al.
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MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN
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