Parametric Study Using Sustainable Concrete

De acuerdo con los resultados obtenidos en los epígrafes anteriores, se procedió a culminar el estudio de optimización de la configuración Presacarificación, considerando la segunda etapa

del método de Box–Wilson en la exploración de la región del óptimo, la cual aparece acotada

por los siguientes aspectos y variables: tiempo al cual se inoculan los microorganismos para la fermentación y la carga enzimática, respectivamente. Como se ha demostrado, con el uso de la carga enzimática en su nivel superior se obtienen mayores concentraciones de etanol y en consecuencia menores insumos de bagazo por litro de etanol, trayendo consigo valores mejores en los indicadores económicos, pero implica un incremento en los gastos de materias primas. Por otra parte inocular la levadura a un mayor tiempo de hidrólisis enzimática implica

un incremento en los costos de equipamiento, por lo tanto es necesario un análisis económico en este sentido. Este análisis se realizó tomando como base la ecuación 3.12 obtenida en el epígrafe 3.3.3.3. Para el estudio de la Presacarificación se analizó el impacto de la variación del tiempo total del proceso y de la carga enzimática, en el rango estudiado experimentalmente: X1: tiempo total del proceso, a tres niveles de 30, 32 y 34 horas y X2:

Carga enzimática, a tres niveles de 10, 20 y 30 UPF/g de sustrato pretratado.

Un estudio considerando la posible eficiencia económica de la instalación de etanol a partir de bagazo de caña, analizando los productos estudiados a partir de la fracción xilano (furfural o etanol) se realizó tomando 300 días de producción anual, para una capacidad de 500 hL diarios. Wingren y colaboradores (Wingren, 2004), reportaron un precio de enzimas celulolíticas y establecieron estimaciones que pronostican la reducción del precio de las mismas entre la 10 y la 50 parte del valor reportado en ese momento, por lo que el precio considerado de las enzimas en este análisis fue 0.225 USD/106 UPF. El precio del bagazo tomado fue el 50% del precio reportado (0.021 USD/kg), o sea, 0.011 USD/kg, de acuerdo a los estudios de sensibilidad. La materia prima para furfural obtenida en este estudio, para su posterior concentración, se evaluó en 800 USD/ tonelada. En este análisis se consideraron además, otros coproductos de interés como la lignina, la cual se evaluó en 0.40 USD/kg y los residuos sólidos obtenidos después de la hidrólisis enzimática y fermentación: 0.30 USD/Kg. La pérdida de etanol en la segunda etapa de pretratamiento se consideró el 1% v/v del usado en el proceso. El precio de las restantes materias primas utilizadas se consideraron similares a las reportadas en el anexo 8. La Presacarificación fue la configuración analizada para este estudio y por los resultados promisorios obtenidos, % alcohólicos superiores al 4% v/v no se consideraron en la propuesta tecnológica la presencia de evaporadores.

El análisis se realizó a través de valores estimados por los modelos obtenidos experimentalmente, utilizándose un diseño experimental del tipo 32. Este análisis se hizo con ayuda de un software propio (EXCEL) que a partir de los esquemas tecnológicos estudiados y los balances de materiales y energía permite determinar los valores inversionistas y los costos de producción. En el estudio se valoró además que los equipos relativos al pretratamiento para la alternativa de utilizar los azúcares de 5 átomos de carbono para etanol, no requieren altas temperaturas y presiones (temperatura 120°C).

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3.5.1. Resultados económicos para la variante que obtiene etanol de la xilosa

Los resultados en los indicadores de Costo por litro de etanol, Período de recuperación de la inversión (PRD) y Ganancia en las 9 combinaciones derivadas del diseño 32para la alternativa que incluye la obtención de etanol a partir de la xilosa se muestran en la tabla 3.20

Tabla 3.20 Resultados de los indicadores económicos con la aplicación del diseño 32 (etanol de xilosa) N Tiempo total del proceso (X1) Carga enzimática UPF/g de sustrato (X2) Costo Unitario/litro Costo/Peso PRD, años Ganancia 106 USD/año 1 30 10 0.50 0.55 8 6.78 2 30 20 0.47 0.53 7 7.36 3 30 30 0.44 0.52 6.5 7.95 4 32 10 0.49 0.54 7.7 6.97 5 32 20 0.46 0.53 7 7.55 6 32 30 0.43 0.51 6.5 8.13 7 34 10 0.48 0.54 7.6 7.15 8 34 20 0.45 0.52 7 7.74 9 34 30 0.43 0.51 6.4 8.32

Los resultados fueron procesados y se alcanzaron los siguientes modelos para cada uno de los indicadores analizados.

Costo unitario,$/L=0,449-0,0083X1-0,028X2+0,00167X12+0,0025X1X2+0,00167X22 [3.14]

PRD, años= 6,489-0,0833X1-0,65X2+0,01667X12+0,075X1X2+0,116X22 [3.15]

Ganancia, $ = 7,55+0,1867X1+0,5833X2 [3.16]

Como se observa la ganancia está dada por una función de términos lineales de manera que la mayor ganancia se alcanza en los extremos superiores de los valores estudiados de tiempo (X1)

y carga enzimática (X2). Los valores de PRD son demasiado altos para fundamentar una

inversión, por lo es adecuado determinar los valores óptimos de los costos de un litro de etanol, utilizando para ello la ecuación 3.14 de donde aplicando derivadas parciales e igualando a cero se obtiene un mínimo para: tiempo = 1.34196 (34.68 horas) y E = 1.51357 (35.13 UPF/g de sustrato), los que son valores fuera de la región experimental estudiada, pero cercanos a ella y que permitirían hipotéticamente un costo minimo de 0.4067, inferior en 0.013 ( 3.196 %) al mínimo que se alcanza en los extremos de la región experimental con los estimados del modelo que serían de 0.4180 para valores de X1=1 y X2=1 .

De acuerdo con estos resultados se podrían alcanzar mejoras en los indicadores de costo y ganancia a partir de verificar fuera de la región experimental el comportamiento de los modelos, pero sin que esto implique grandes saltos en la ganancia ni sensibles mejoras en el PRD que justifiquen las inversiones estimadas.

3.5.2 Resultados económicos para la variante que obtiene furfural de la xilosa

Tabla 3.21 Resultados de los indicadores económicos con la aplicación del diseño 32 (furfural) N Tiempo total del proceso Carga enzimática UPF/g de sustrato Costo/litro, $/L Costo/Peso PRD, años Ganancia 106 USD/año 1 30 10 0.90 0.44 2.8 14.38 2 30 20 0.79 0.43 2.5 15.18 3 30 30 0.71 0.42 2.4 15.98 4 32 10 0.86 0.43 2.7 14.64 5 32 20 0.76 0.43 2.6 15.44 6 32 30 0.68 0.42 2.4 16.24 7 34 10 0.82 0.43 2.8 14.89 8 34 20 0.73 0.42 2.6 15.70 9 34 30 0.66 0.42 2.5 16.49

Los resultados obtenidos en la aplicación del diseño 32para la alternativa que obtiene furfural de la xilosa en los indicadores de costo por litro de etanol, período de recuperación de la inversión (PRD) y ganacia en las las 9 combinaciones se resumen en la tabla 3.21.

Los resultados procesados mediante un ajuste cuadrático permitieron alcanzar las siguientes funciones de costo unitario, PRD y ganancia:

Costo unitario, $/L=0,75889-0,03167X1-0,08833X2+0,00166X12+0,0075X1X2+0,0116X22 [3.17]

PRD, años = 2,544+0,033X1-0,1667X2+0,0333X12+0,025X1X2+0,0333X22 [3.18]

Ganancia, $= 15,44+0,25X1+0,8X2-0,0033X12+0,0033X22 [3.19]

En este caso la ganancia está dada por una función de términos no lineales, pero al no existir efecto de las interacciones es fácil determinar derivando parcialmente con relación al tiempo y a la carga enzimática. La mayor ganancia se obtiene en los valores más altos de estas variables, en adición los valores de costo por litro de etanol son más altos con respecto al caso anterior, lo que se explica por el hecho de dedicar los azúcares de 5 átomos de carbono a la

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producción de furfural; siendo necesario para fundamentar una inversión determinar los valores óptimos del Periodo de Recuperación de la Inversión (PRD), utilizando para ello la ecuación 3.18 de donde aplicando derivadas parciales e igualando a cero se obtiene un mínimo para: tiempo = - 1.675686 (28.66 horas) y E = 3.13203 (51.3 UPF/g de sustrato), los que son valores fuera de la región experimental, y relativamente lejanos a ella, sobre todo en lo referente a la carga enzimática que aunque permitirían hipotéticamente un PRD mínimo de 2.2511 inferior al también estimado por el modelo como mejor dentro de la región experimental de 2.3816 en 0.1305 (5.48 %) requeriría una costosa verificación por el alto consumo de enzimas. De acuerdo con estos resultados se podrían alcanzar mejoras en el PRD y ganancia a partir de verificar fuera de la región experimental el comportamiento de los modelos, pero sin que esto implique grandes saltos en la ganancia, ni seguras mejoras en el PRD, que ya con el valor alcanzado justifican las inversiones estimadas.

Comparando ambos resultados se aprecia el fuerte impacto que en la rentabilidad de una inversión tiene la obtención de coproductos de alto valor agregado.

3.5.3 Análisis de los resultados.

La exploración de la región del óptimo demuestra la existencia de puntos mínimos para los indicadores económicos que caracterizan fundamentalmente la búsqueda de la eficiencia económica del sistema tecnológico, es decir, el costo unitario de la producción de etanol cuando la fracción xilano es llevada también a etanol y el PRD cuando se obtiene furfural de esa misma fracción.

En la alternativa de la fracción xilano llevada a etanol, la ganancia originada no alcanza para recuperar los fondos inversionistas con rapidez, reportándose valores altos del PRD. No se alcanzan los mismos resultados en la variante donde se obtiene furfural, como coproducto de alto valor, en la que logra, aunque el costo del etanol obtenido es superior al precio de su comercialización, valores del PRD muy ventajosos para cualquier proceso inversionista. De lo anterior se refuerza el concepto de biorefinería pues la rentabilidad de las inversiones se logra en la valoración de los coproductos de alto valor agregado.

Este análisis muestra que es necesario lograr mejoras tecnológicas para lograr precios de venta del etanol celulósico comparables al obtenido por otras materias primas para hacer estas tecnologías atractivas a nivel industrial, pero sin dudas se muestra un camino a seguir en las investigaciones futuras.