Estudio de la eficiencia energética y propuesta de mejoras para una planta productora de etanol a partir de melaza.

Abstract

Se presenta un estudio técnico en el que se evaluó la eficiencia energética, para generar propuestas de mejora del proceso de fermentación alcohólica a partir de melaza en una planta productora de etanol con capacidad de 150,000 L/día ubicada en Siquinalá, Escuintla. Para ello se determinó la carga microbiológica en la materia prima (agua de proceso, melaza de caña y mosto de caña de azúcar) y se sugiere una alternativa para disminuir la misma, haciendo uso de un sistema de calentamiento y enfriamiento previo a la fermentación. Además, se realizó un diagnóstico energético de los siguientes equipos: bombas, intercambiadores de calor y torres de enfriamiento. Los puntos de mejora para el control de la eficiencia energética fueron evaluados haciendo uso de un sistema de evaluación financiera para determinar el ahorro energético y económico al implementar dichas propuestas.

La destilería emplea melaza de caña diluida, conocida como mosto de caña de azúcar, como fuente principal de azúcares reductores para la conversión a etanol; sin embargo, esta presenta contaminación por bacterias u hongos silvestres. Por lo que, para cuantificar la carga microbiológica en la melaza y mosto de caña de azúcar, se llevó a cabo un recuento en Petrifilm TM de mohos y levaduras, y aerobios totales. Además, para la preparación del mosto de caña de azúcar se usa agua; no obstante, esta puede poseer microorganismos no deseados. Es por ello que se realizó un recuento de bacterias heterotróficas, mohos, levaduras y coliformes totales a través de filtración por membrana. La contaminación en las materias primas afecta la eficiencia de producción de etanol, ya que reducen el rendimiento de la conversión de etanol en la fase de fermentación. Para reducir estos agentes biológicos se optó por diseñar un sistema de transferencia de calor para el calentamiento y enfriamiento de melaza, el cual consta de cuatro intercambiadores de placas.

Para el diagnóstico energético, se analizaron las condiciones de operación actual y de diseño de siete bombas críticas para poder establecer nuevas condiciones de operación que minimicen el consumo energético. Se evaluó la transferencia de calor en siete intercambiadores de calor. Para el análisis del intercambio de energía se determinó la eficiencia térmica de cada equipo, así como, el grado de influencia que tiene el ensuciamiento en la transferencia de calor, con el propósito de generar puntos de mejora para el control de eficiencia energética. En las torres de enfriamiento, se analizó la operación de las torres a diferentes horas del día para determinar las variables influyentes en la eficiencia energética. Se determinó el cambio de temperatura del agua de enfriamiento así como el uso eficiente del ventilador. Además, se analizaron propiedades del agua de alimentación de las torres.

Al determinar la carga microbiológica de la melaza y el mosto de caña de azúcar, se obtuvo que los puntos de muestreo de mosto de caña excedieron los límites de recuentos de mohos y levaduras, y aerobios totales mínimos establecidos por la COGUANOR NGO 34 175. Así mismo, al analizar la carga microbiológica en el agua de proceso, se observó que no existía una diferencia notable entre el agua antes y después de pasar por lámpara UV. Además, se logró diseñar un sistema de calentamiento y enfriamiento previo a la fermentación en cada una de las plantas de la empresa, el cual consistió en dos intercambiadores de calor Alfa Laval y un tanque horizontal como reservorios de melaza; con el fin de reducir la carga microbiológica de esta materia prima.

Finalmente, del análisis energético se obtuvo que el posible ahorro del consumo en kW requerido por las bombas al modificar la velocidad de rotación, puede ser de hasta 10.67kW (14.31hp) y 6.68kW (8.96hp) para las bombas P519 y P556 respectivamente. El análisis en los intercambiadores de placas reveló, que estos están siendo usados por debajo de lo establecido en el diseño. Los intercambiadores de coraza y tubos estudiados expusieron eficiencias variables; uno de ellos está siendo sobreutilizado. El balance de energía mostró que los siete equipos estudiados poseen incrustaciones, es por ello que se sugiere realizar un proceso de limpieza con mayor frecuencia. Asimismo, se determinó que las torres de enfriamiento 1, 2 y 3 no están operando eficientemente, además, que la dureza del agua de alimentación de las torres está por encima de los valores recomendados. Se estimó que la implementación de variadores de velocidad y sensores de temperatura requiere una inversión inicial total de $4,786.70 y podría generar ahorros energéticos estimados por un total de $26,542.15.