Doctorado Ingeniería de Procesos - Presencial · 2022
Sustainable biorefinery schemes for the recovery of energy, material and nutrient of residual biomass
Las actividades agrícolas son una fuente constante de biomasa residual que no suele tener un valor añadido durante las actividades de recolección o a lo largo de la industria de transformación de la materia prima, lo que afecta al medio ambiente donde se desarrollan estas actividades. La biomasa residual del sector pecuario (estiércol) y del sector agrícola (cultivos transitorios y permanentes) tiene una alta contaminación relacionada con la materia orgánica biodegradable. La economía colombiana debe evolucionar para afrontar una salida del petróleo. Los biocombustibles son entonces una alternativa para disminuir la dependencia en la industria de los combustibles fósiles.El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar el potencial de recuperación energética de tres biomasas residuales producidas en Colombia (mucílago de café, mucílago de cacao y estiércol de cerdo), y contribuir al desarrollo de biorrefinerías sostenibles basadas en el tratamiento y valorización de estas tres biomasas residuales. Los procesos elegidos para recuperar la energía de estos residuos son los procesos biológicos de codigestión anaeróbica (AD) o de fermentación oscura (DF). Sin embargo, los aprovechamientos de estos procesos están limitados por la eficiencia del uso de los sustratos y la recuperación económica de las inversiones iniciales. Por ello, resulta más llamativo completar la conversión con el diseño de una refinería que aproveche los productos y subproductos de forma completa. Los resultados muestran eficiencias energéticas entre el 37% y el 55%, sobre todo se demuestra que el abastecimiento energético total de las biorrefinerías es posible con los productos obtenidos y adicionalmente se producen digestatos ricos en elementos útiles para los procesos agrícolas. En general, el impacto medioambiental del metano, el hidrógeno y el metanol por kg producido es igual o inferior al de los procesos actuales cuando los esquemas se diseñan incluyendo metodologías de integración energética y análisis PINCH. Además, se demuestra la importancia de la integración de energía y masa para aumentar la eficiencia energética y disminuir el impacto ambiental en los esquemas de biorrefinería.
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Contenido
- GENERAL INTRODUCTIONp. 25
- CHAPTER I STATE OF THE ARTp. 28
- BIOMASS STATE OF THE ARTp. 29
- Agriculture Colombian contextp. 31
- Residual biomass availabilityp. 42
- Barriers to the development of biomass valorization processesp. 45
- BIOREFINERY STATE OF THE ARTp. 47
- Bioprocessesp. 48
- Thermochemical processesp. 62
- Gas separation and recoveryp. 69
- Separation and recovery of liquids and solidsp. 76
- Biorefinery designp. 81
- Techno-economical evaluationp. 92
- Conclusionsp. 96
- CHAPTER II MATERIALS AND METHODSp. 99
- INTRODUCTIONp. 101
- EXPERIMENTAL SET-UP OF THE BIO-PROCESSp. 102
- Experimental designp. 102
- Analytical methodsp. 105
- Experimental Biogas production yieldsp. 106
- SIMULATION MODEL DEVELOPMENT AND EVALUATIONp. 99
- Bioprocessp. 107
- Conceptual biorefinery designp. 117
- Biorefinery modelsp. 118
- Biorefinery evaluationp. 136
- CONCLUSIONp. 144
- EVALUATIONp. 145
- INTRODUCTIONp. 147
- EXPERIMENTAL RESULTSp. 148
- Biomass characterizationp. 105
- Experimental bio-process resultsp. 150
- Model validationp. 153
- BIOPROCESS SIMULATIONp. 156
- Bioprocess optimizationp. 161
- Evaluation of energy recovery potential in Colombia from ADF bioprocessp. 166
- CONCLUSIONSp. 170
- CHAPTER IV BIOREFINERY SCHEMES EVALUATIONp. 172
- INTRODUCTIONp. 174
- CONCEPTUAL DESIGN OF BIOREFINERYp. 175
- Simulation of the biorefinery schemesp. 175
- Biorefinery scheme environmental and energy analysisp. 183
- CONCLUSIONSp. 218
- GENERAL CONCLUSIONS AND PERSPECTIVESp. 219
- REFERENCESp. 224
- ANNEXESp. 243
- UNTREATED EXPERIMENTAL RESULTSp. 245
- II. UNTREATED SIMULATION STREAMS RESULTSp. 247
- RESULTS SUMMARY MODELS IN ASPEN PLUSp. 250
- BIOREFINERY LCA RESULTSp. 267
- Scientist Productionp. 270
- (EIA), 2020). Reproduced from The National Energy Education Project (public domain)p. 30
- “Federación Nacional de cafeteros,” 2020)p. 32
- 2011)p. 34
- (“Federación Nacional de cafeteros,” 2020)p. 36
- Figure 5 The cocoa fruit structures and wastes* (Campos-Vega et al., 2018)p. 38
- Figure 6 Coffee and cocoa production in 2017 (dried grains for sale)p. 43
- (B) Coffee mucilage availability. (C) Swine manure availability (DANE, 2020)p. 45
- Figure 8 Bioprocesses general diagram (Garritano et al., 2018; Karki et al., 2021)p. 49
- Figure 10 Dark fermentation process (Rajesh Banu et al., 2020a)p. 55
- Hydrogenotrophic methanogensp. 58
- Figure 12 Schematic layout of thermochemical process and its classificationsp. 62
- Figure 13 Schematic layout of gasification processesp. 65
- Figure 14 Schematic layout of pyrolysis processes (Das et al., 2021)p. 66
- Figure 15 Water scrubber, also called gas scrubbing or wet scrubber process diagramp. 71
- Figure 16 Schematic diagram of the methanol synthesis unit (Nami et al., 2019)p. 74
- (Lee et al., 2020)p. 76
- Figure 18 Liquid-liquid extraction and solvent recovery flow diagramp. 79
- Figure 19 Conversion of biomass to polyhydroxybutyrate (Elbeshbishy et al., 2017)p. 81
- process; RS – Residues; BF- Biofuel; CP- Co products)(Rajesh Banu et al., 2020b)p. 84
- Banu et al., 2020b)p. 85
- products (Surendra et al., 2015)p. 86
- 2015)p. 86
- DF bioprocessesp. 91
- Environment, 2021)p. 95
- 2021)p. 69
- Figure 27 Block diagram of simulated processes in Aspen Plusp. 109
- Figure 28 Technique hierarchies for process designp. 119
- products (Biorefinery No.1)p. 125
- Figure 30 Block diagram of the first biorefinery scheme (Biorefinery No.1)p. 126
- No.2)p. 127
- Figure 32 Block diagram of the second biorefinery scheme No. 2p. 128
- Figure 33 Biorefinery scheme No.. 3. Bioprocess units, hydrogen productionp. 129
- Figure 34 Block diagram of the third biorefinery scheme (Biorefinery No.3)p. 130
- Figure 35 Aspen Plus flowsheet simulation of biorefinery scheme No. 1p. 133
- Figure 36 Aspen Plus flowsheet simulation of biorefinery scheme No. 2p. 134
- Figure 37 Aspen Plus flowsheet simulation of biorefinery scheme No. 3p. 135
- production with volume displacement and biogas collectionp. 151
- 25, 35 and 45p. 153
- (AD); (B) dark fermentation (DF)p. 155
- glucose available in the blendsp. 156
- Biogas composition for DF; (D) Biogas composition for ADFp. 164
- simulations according to CFM, CCM, and SM production data in 2017 from Eq. 13p. 165
- consumption in DF and AD. Graphs obtained in Aspen Plusp. 179
- CO2/H2 ratiop. 180
- power consumption (kW)p. 182
- and Methanol), purple and final black flow lines show the process residuesp. 184
- and Methanol), purple and final black flow lines show the process residuesp. 185
- and Methanol), purple and final black flow lines show the process residuesp. 186