Classification Model

La resolución del problema de optimización no lineal para una biorrefinería basada en microalgas para la producción de biodiesel teniendo en cuenta una etapa de generación de energía térmica y eléctrica, a partir principalmente de las etapas de digestión aneróbica y ciclo combinado de calor y potencia, permite concluir con un resultado favorable respecto a la factibilidad de independencia energética y minimización del consumo externo de nutrientes, obteniendo como principales productos, biodiesel y fertilizantes. Si bien los resultados obtenidos pueden variar en función de las tecnologías y procesamientos seleccionados para cada etapa de la producción de biodiesel, los mismos nos muestran la importancia y relevancia a la hora de considerar una etapa de manejo de residuos, generación de energía y recirculación de nutrientes.

Aspectos económicos, energéticos y de seguridad en el diseño

óptimo de biorrefinerías para la producción de biodiesel

3.1. Introducción

El desarrollo de energías alternativas tales como los biocombustibles sólidos, líquidos y/o gaseosos a partir de fuentes renovables se ha visto en gran parte impulsado por el fuerte impacto que los combustibles fósiles han causado y causan en el medioambiente. En este contexto, se ha producido en muchos países un crecimiento significativo en la producción de biodiesel con el objetivo de satisfacer tanto la demanda interna como externa. Los biocombustibles de primera y segunda generación fueron intentos previos de obtención de recursos energéticos renovables, procedentes de cultivos alimentarios y residuos forestales, respectivamente. Sin embargo, han suscitado preocupación por el uso de tierra cultivable y, por ende, competencia con productos alimenticios (Mata et al., 2010). Los biocombustibles de tercera generación, derivados de microalgas, constituyen un recurso energético alternativo prometedor y técnicamente viable, superando los principales inconvenientes presentados para los biocombustibles de primera y segunda generación (Chisti, 2007, Gong y Jiang, 2011, Rulong et al., 2012).

Los biocombustibles obtenidos a partir de microalgas presentan mayores costos en tecnología de procesos que el diesel de petróleo, lo que dificulta su explotación comercial. Para superar este problema, se propone la implementación de procesos de producción altamente integrados, no sólo para

reducir los residuos, sino también para crear una transformación eficiente de la biomasa en combustibles, energía y productos químicos, polímeros o aditivos alimentarios de alto valor agregado, entre otros (Sadhukhan et al., 2014). Además, en función de lo expuesto en el Capítulo 2 de la presente tesis, la incorporación de un digestor anaeróbico para producir energía a partir de corrientes residuales, tanto de proceso (torta algal y glicerol) como externas (residuos de papel y lodos de plantas de tratamiento de agua), ayuda a la reducción de problemas ambientales y fomenta la sostenibilidad ya que el consumo externo de energía y nutrientes se ve reducido gracias a éste.

No obstante, dentro de un marco sostenible, no sólo deben evaluarse cuestiones económicas, sino también los impactos potenciales sobre el medio ambiente y la población. Varios estudios destacaron la necesidad de vincular los aspectos económicos y ambientales para la producción de biodiesel, usualmente aplicando enfoques de análisis de ciclo de vida (ACV) para evaluar el impacto ambiental (You et al., 2014). Gutiérrez-Arriaga et al. (2014) complementa biorrefinerías con biofijación de CO2, siguiendo los principios del análisis de ciclo

de vida. Martínez-Hernández et al. (2013) combina valor económico e impacto ambiental para definir indicadores de sostenibilidad basados en ACV. Menetrez (2012) resume los potenciales impactos ambientales y a la salud humana que brindan diferentes microalgas al ser utilizadas para la producción de biocombustibles, incluyendo organismos genéticamente modificados (OGM). Un método sistemático que combina la simulación del proceso, su evaluación económica, ambiental y energética, así como la integración de calor, fue propuesto por Brunet et al. (2015). El modelo multiobjetivo formulado por Santibañez-Aguilar et al. (2014) incluye la rentabilidad del proceso, los impactos

ambientales a través del análisis de ciclo de vida y las cuestiones sociales mediante la generación de empleo.

No se han registrado en la bibliografía estudios que involucren la seguridad de los procesos como un factor en el estudio de implementación de biorrefinerías basadas en microalgas. En este sentido, la evaluación de los riesgos industriales supone un complemento para la sostenibilidad del proceso, ya que no se ha desarrollado ninguna metodología para minimizar las bajas laborales debido a la naturaleza impredecible de los accidentes en el trabajo (Ramadhan et al., 2014). Sin embargo, sólo unos pocos trabajos tratan sobre la integración de temas económicos y de riesgo (Medina-Herrera et al., 2014; Shahriar et al., 2012).

El riesgo de un evento no deseado es función de un conjunto de escenarios, su probabilidad de ocurrencia y las consecuencias de los eventos (AIChE, 2000). El análisis de riesgos es un método sistemático para prevenir la ocurrencia de eventos indeseables mediante la integración de información de posibles causas, consecuencias y probabilidad. En particular, la probabilidad de un evento se refiere a una medición cuantitativa de la ocurrencia, que se expresa como frecuencia (es decir, eventos por unidad de tiempo) o probabilidad de ocurrencia (es decir, la probabilidad de que ocurra el evento en condiciones definidas). La evaluación del riesgo de los procesos industriales es una herramienta interesante para identificar peligros y evaluar los riesgos de uso, manipulación, transporte y almacenamiento de sustancias peligrosas. En caso de derrame o fuga, esta metodología ayuda a establecer la existencia de una amenaza para las personas, la propiedad o el medio ambiente (Mannan, 2012).

En este capítulo, se propone el desarrollo de un proceso de producción de biodiesel basado en microalgas, mediante la optimización económica del proceso y la posterior evaluación del riesgo. El estudio evalúa dos alternativas para el sistema de cultivo de algas (estanque abierto y reactor fototubular) y dos alternativas para la extracción de lípidos (secado y posterior extracción con hexano o extracción en base húmeda con una mezcla de etanol y hexano), presentando diferentes requerimientos energéticos y de materias primas e insumos. Se formula un modelo de programación mixto entero no lineal (MINLP por sus siglas en inglés) para determinar la alternativa óptima para la producción de biodiesel en función de maximizar el valor presente neto (VPN). Por otra parte, luego de la optimización económica, las alternativas propuestas inicialmente, se evalúan de manera individual en términos de riesgos industriales ya que los solventes potenciales para la extracción de lípidos presentan varios problemas, no sólo en términos de evaluación económica, sino también con respecto a los requisitos de seguridad. En este sentido, dentro del concepto de sostenibilidad, se evalúan los riesgos derivados del almacenamiento y manipulación de productos químicos peligrosos. Los resultados numéricos dan un soporte cuantitativo para la futura toma de decisiones con respecto a los riesgos aceptables y allanan el camino a proponer estudios de optimización multiobjetivo que incluyan estos aspectos.