Las tecnologías de separación son esenciales para el éxito del bioprocesamiento

En todo tipo de aplicaciones de bioprocesamiento, la selección de la mejor tecnología de separación y del equipo asociado es fundamental. Los recientes avances en materia de bioprocesamiento y productos de base biológica están aportando innovaciones sin precedentes al sector manufacturero, dando a las empresas la oportunidad de desbloquear nuevas oportunidades de mercado a largo plazo.

Equipos pertenecientes a una planta de bioprocesamiento
Equipos de planta de bioprocesamiento. Imagen de agro_chemestry

Algunos ejemplos clave, son la reutilización de materias primas menos costosas y más sostenibles, o la transformación de residuos en productos útiles, lo que beneficia al medio ambiente y permite a las empresas aprovechar nuevas fuentes de ingresos. Para aprovechar al máximo los métodos de bioprocesamiento, es fundamental utilizar tecnologías de separación y transferencia de masa fiables y de alto rendimiento.

Tabla de contenidos
  1. El bioprocesamiento en la industria
    1. Biocombustibles del futuro
    2. Maximizando la captura de carbono con procesos de separación
  2. Selección de un método de separación para bioprocesamiento
  3. Definiendo la unidad de separación para bioprocesamiento
  4. Mejoras continuas en equipos de separación de bioprocesamiento

El bioprocesamiento en la industria

Actualmente, el bioprocesamiento se encuentra establecido en muchos sectores industriales, como por ejemplo, la industria de los alimentos y la industria de las bebidas. Sin embargo, las bondades del bioprocesamiento van mucho más allá y pueden beneficiar a una gran cantidad de industrias, ofreciendo un método único para ampliar estrategias sostenibles de captura de carbono, al tiempo que utiliza recursos que son inaccesibles con los métodos de procesamiento tradicional.

Tal vez, el ejemplo más obvio sea la fermentación microbiana, un proceso ampliamente utilizado para producir combustibles, biodiesel, por ejemplo, y productos químicos a partir de materiales ricos en carbono, siendo la materia prima más común los carbohidratos procedentes de recursos vegetales, que caracterizan a las biorefinerías de primera y segunda generación.

Esquema ilustrativo de algunas operaciones unitarias utilizadas en bioprocesamiento
Algunas operaciones unitarias utilizadas en procesos bioquímicos

Las plantas de bioetanol, en particular, utilizan cultivos agrícolas, plantas herbáceas o biomasa lignocelulósica como materia prima para producir azúcares, pentosa y hexosa mediante hidrólisis y sacarificación. Los compuestos resultantes se suministran a microorganismos, como la levadura saccharomyces cerevisiae, cuyas actividades metabólicas anaeróbicas dan lugar a la producción de etanol y a una serie de subproductos y residuos. Entre ellos, se encuentran el dióxido de carbono (CO2), el metanol, el glicerol, el lactato y el acetato.

El etanol resultante se purifica y deshidrata para eliminar las impurezas y el agua. Como resultado, se produce un combustible de alto octanaje que cumple las normas reglamentarias y es apto para los motores de combustión interna.

Biocombustibles del futuro

El gas de síntesis rico en carbono, el CO2 y el metano generados por las actividades industriales pueden someterse a la fermentación microbiana, seguida de procesos de separación, para obtener un espectro de combustibles y otros materiales orgánicos útiles materiales orgánicos útiles
El bioprocesamiento permite crear combustibles a partir de gases de síntesis y de otros materiales orgánicos

Las biorefinerías han empezado a aumentar la variabilidad de sus materias primas, o a aprovechar los subproductos y residuos de sus procesos, creando plantas integradas con el fin de suministrar biocombustibles o biocarburantes a precios competitivos y aumentar su aceptación en el mercado.

Las nuevas soluciones en biocombustibles, incluyen los avances más recientes en materia de fermentación y bioprocesamiento. Estos presentan una oportunidad crítica para convertir los gases combustibles ricos en carbono en nuevas fuentes de ingresos a largo plazo.

El gas de síntesis rico en carbono (syngas), el CO2 y el metano producidos por actividades industriales, en particular, pueden ser fermentados microbianamente por bacterias acetogénicas del género clostridium, para producir una variedad de combustibles y otros materiales orgánicos útiles. Del mismo modo, el CO2 emitido puede ser fermentado en proteínas animales y nutracéuticos utilizando bacterias quimioautotróficas que obtienen energía del hidrógeno. En estas aplicaciones, también se utilizan procesos de separación tras la etapa de fermentación para reducir el volumen de agua y otras impurezas, así como, la biomasa microbiana utilizada para la conversión.

Maximizando la captura de carbono con procesos de separación

Planta de bioprocesamiento en funcionamiento
Bioprocesamiento en ejecución. Imagen de beaconwales

Las nuevas tecnologías de captura y utilización del carbono permiten a las empresas químicas y a los fabricantes convertir el carbono residual emitido a la atmósfera, como CO o CO2, en biocombustibles y productos químicos de gran valor agregado. La biorefinería, así como, la captura y utilización de carbono, son componentes críticos para construir una economía circular, negativa en carbono. Por ello, es fundamental que las plantas industriales apliquen procesos de alto rendimiento para maximizar las tasas de conversión y los rendimientos.

De este modo, las empresas pueden optimizar su eficiencia energética, reduciendo su impacto medioambiental y sus costes de producción, al tiempo que aumentan su aceptación en el mercado. No solo el valor del producto deseado debe superar el coste de recuperación, sino que la energía necesaria y las emisiones resultantes de todo el proceso deben ser una fracción menor de los residuos y las emisiones capturadas.

Mantener costes de purificación bajos es uno de los aspectos más difíciles del bioprocesamiento. En efecto, aunque la separación no es la etapa principal de fabricación, diversos factores hacen que el proceso de separación represente la mayor parte de los gastos operativos totales (OPEX). Los elementos clave que contribuyen a estos costes son:

  • La naturaleza diluida de las corrientes alimentadas a las unidades de separación
  • La presencia de matrices orgánico-inorgánicas variables y complejas, que pueden tener un efecto perjudicial en la extracción
  • La necesidad de realizar el proceso a temperaturas moderadas para evitar la degradación térmica de los componentes clave

En consecuencia, la etapa de separación puede ser el factor más influyente en el éxito general y la comercialización de las biorefinerías y las plantas de captura biológica de carbono.

Para tener éxito con sus estrategias de bioprocesamiento, las empresas deben aplicar las tecnologías de separación y las configuraciones adecuadas para hacer frente a la inestabilidad térmica, la alta dilución y la gran variabilidad de la alimentación. A diferencia de las refinerías de petróleo convencionales, en las que la unidad de purificación y su estructura están relativamente estandarizadas, la variabilidad de las materias primas de origen biológico y los métodos de captura de carbono utilizados hacen necesario el uso de soluciones personalizadas. Por ello, determinar el mejor método de separación para la aplicación prevista es el primer paso para conseguir la mejor solución.




Selección de un método de separación para bioprocesamiento

La destilación, suele ser la mejor opción si los componentes de la alimentación tienen puntos de ebullición distintos, con diferencias que suelen superar los 5°C. La destilación al vacío puede utilizarse para componentes térmicamente sensibles o sustancias con puntos de ebullición elevados. En cambio, la separación por afinidad, como la extracción líquido-líquido, reduce significativamente la necesidad de destilar grandes volúmenes de agua, que es un proceso que requiere mucha energía. Basándose en las diferencias de solubilidad, la cristalización fraccionada puede utilizarse como método de refinado.

Un especialista en ingeniería de procesos, puede ayudar a seleccionar el mejor método proporcionando análisis técnicos y económicos detallados de las distintas alternativas. Los ingenieros también pueden recomendar estrategias integradas de recuperación de calor y agua para mejorar la eficiencia energética y económica de las plantas de bioprocesamiento.

Definiendo la unidad de separación para bioprocesamiento

Aparte del tipo de método de separación utilizado en el bioprocesamiento, los componentes de transferencia de masa y los componentes internos de la columna de separación pueden ayudar a las plantas industriales a mejorar sus procesos, la calidad del producto final y la eficiencia, a la vez que se hace frente a la alta variabilidad de la materia prima. Más concretamente, la solución adecuada puede contribuir al desarrollo de plantas duraderas y productivas con una pequeña huella de carbono.

Las biorefinerías procesan con frecuencia corrientes de procesos acuosos diluidos con sustancias incrustantes y suelen implicar cierto grado de manipulación de sólidos. Por ello, los equipos de separación deben ser siempre resistentes a los sólidos y a la suciedad, a la vez que ofrecen la mayor eficiencia posible. Para resolver estos problemas, se suelen utilizar bandejas en las columnas frontales para la eliminación y concentración de la biomasa, seguidas de columnas empaquetadas operadas al vacío para la purificación de los productos intermedios o finales.

Con el tiempo, las bandejas de columna han evolucionado para adaptarse a la materia prima del bioprocesamiento. En concreto, la industria ha pasado de no tener ningún elemento interno, como en el caso de los procesos basados en frascos u ollas, a tener bandejas con deflectores, discos y donuts, así como tamices y rejillas en V. Las bandejas de columna con propiedades anti-incrustantes, por ejemplo (ver siguiente figura), son adecuadas para las columnas de separación de las plantas de biocombustibles de primera y segunda generación. Sus vertederos de salida son resistentes a las incrustaciones y las bandejas pueden equiparse con válvulas fijas extragrandes diseñadas para aplicaciones de incrustación severa.

Tamices y rejillas utilizadas para el bioprocesamiento
Tamices y rejillas para el bioprocesamiento

Las bandejas también son útiles cuando es necesario inspeccionar las paredes de los recipientes con regularidad. De esta manera, las plantas pueden reducir sus costes y el tiempo de inactividad asociado a las reparaciones y el mantenimiento, así como, ampliar sus intervalos de sustitución, reduciendo su impacto medioambiental general.

Una vez que los flujos de alimentación están libres de sólidos, la eficiencia de la transferencia de masa se convierte en el factor más importante a optimizar, y se deben considerar alternativas de bandejas. En la práctica, el uso de estos internos puede requerir la construcción de columnas altas y costosas para acomodar el mayor número de etapas teóricas necesarias. En estos casos, se prefiere el empaquetamiento estructurado.

Cuando se procesan compuestos térmicamente sensibles o sustancias con puntos de ebullición similares, el empaquetamiento estructurado es el método preferido. Este tipo de columna interna reduce la retención de líquido y el tiempo de residencia, lo que permite procesar las sustancias sin degradación. También, permite que las columnas funcionen a temperaturas más bajas, lo que protege aún más la alimentación térmicamente sensible.

Esta configuración, en particular, puede funcionar a baja presión debido a sus bajos caudales de líquido (y mayores tasas de vapor). Además, como el área abierta de la empaquetadura es casi tan grande como la superficie de la sección transversal de la columna, la caída de presión es limitada. Esta característica también hace que la empaquetadura estructurada sea ideal para su uso en servicios de vacío, donde la caída de presión debe mantenerse al mínimo.

Estas características también son ventajosas en servicios altamente corrosivos o en aplicaciones en las que la alimentación puede ser propensa a la formación de espuma. Por último, la reducción de la caída de presión facilita los conceptos de integración de calor, que mejoran la eficiencia energética global del proceso.

Del mismo modo, el embalaje estructurado puede beneficiar a los proyectos de captura de carbono porque las plantas pueden reducir significativamente el tamaño y la caída de presión a través de su columna de separación, reduciendo los gastos de capital (CAPEX) y los gastos de funcionamiento (OPEX). Además, la textura de ciertos tipos de envases puede proporcionar un tiempo de residencia más uniforme, impidiendo que los microorganismos del proceso de fermentación se acumulen en sus superficies, lo que da lugar a una menor vida útil del equipo.

Mejoras continuas en equipos de separación de bioprocesamiento

Las empresas deben realizar revisiones y mantenimientos periódicos de sus equipos de separación seleccionados para el bioprocesamiento y recurrir a la experiencia de terceros, cuando sea necesario, para mantener las condiciones óptimas de funcionamiento y maximizar el rendimiento y la eficiencia energética. Además, las evaluaciones del rendimiento de los trenes de separación existentes pueden revelar áreas de mejora. Se pueden definir las estrategias de renovación más apropiadas y eficaces, que son fundamentales para aplicar los cambios adecuados en los componentes internos de las columnas y de transferencia de masa, así como, para aumentar la capacidad global de las columnas en las biorefinerías y las plantas de captura de carbono.

Es fundamental, maximizar la eficiencia energética y los costes para llevar a cabo con éxito una planta de bioprocesamiento para la producción de biocombustibles y productos químicos a partir de recursos sostenibles, residuos o subproductos. Estas cuestiones pueden abordarse creando soluciones de separación basadas en la mejor metodología, diseño y componentes.

Además, para intensificar sus procesos y mantener una ventaja competitiva, las empresas deben estar al día en los últimos avances tecnológicos. Desde el desarrollo hasta el mantenimiento, las soluciones holísticas y probadas y la experiencia tecnológica pueden apoyar todo el ciclo de vida de una planta, garantizando la optimización y fiabilidad continua del proceso.

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