Implementación del sistema de producción de bioetanol en un reactor híbrido tipo batch para su uso en un motor de combustión interna.

Lucio López, Alex Nibardo de (2018) Implementación del sistema de producción de bioetanol en un reactor híbrido tipo batch para su uso en un motor de combustión interna. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

El estudio de los biocombustibles ha venido creciendo en búsqueda de nuevas fuentes energéticas de menor costo, en comparación a los altos precios de los combustibles obtenidos a partir del petróleo. Debido a lo anterior, el biocombustible renovable más prometedor hoy en día es el bioetanol utilizado actualmente en el sector de transporte. Este biocombustible cuenta con la característica de ser producido a partir de biomasa y es factible emplearlo como fuente de energía renovable. En la presente investigación se estudia la implementación del sistema de producción de bioetanol en un reactor híbrido tipo batch para su uso en un motor de combustión interna. Se diseñaron y construyeron para los propósitos de este proyecto: un intercambiador de calor (destilador), dos tanques de solución ácida y base, tomando en cuenta los parámetros cinéticos involucrados en el proceso de fermentación y destilación. Se emplea un sistema de indicadores para el monitoreo y control de los parámetros durante la producción del biocombustible en el reactor. Se desarrolló una metodología del proceso de fermentación y destilación con base al diseño experimental realizado a nivel laboratorio para la obtención del bioetanol. Se realizó la fermentación a partir del jugo de naranja utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae con el objetivo de realizar la conversión de azúcares a bioetanol. La fermentación se llevó a cabo a una temperatura entre 28 y 32 ◦C, pH de 4.0 a 4.5 en medio anaerobio en agitación constante a 300 rpm. Estos parámetros son óptimos para el crecimiento de la levadura durante la fermentación. Se realizó la separación del alcohol, empleando una destilación con el reactor. Finalmente, se procedi´o a la caracterización fisicoqu´ımica, el análisis de la cromatografía de gases para conocer la pureza y por último, la inyección en un motor CFR, con el objetivo de validar la calidad de la mezcla gasolina-bioetanol en dos composiciones E5% y E10%. De estas mezclas se evaluaron los de niveles de presión máxima promedio en cámara, duración de la primera fase de combustión y valores de autoignición. Con esta investigación se obtiene la metodología para la producción de bioetanol a mediana escala, a partir de una materia prima de origen orgánico y cuyo proceso da pie al estudio de biocombustibles a partir de diferentes tipos de biomasa con alto contenido de sacarosa, obteniendo cantidades razonables con las especificaciones deseadas para su evaluación en diferentes tipos de motores de combustión interna. Abstract The study of biofuels has been growing in search of new sources of energy at lower cost, compared to the high prices of fuels obtained from oil. Due to the above, the most promising renewable biofuel today is the bioethanol currently used in the transport sector. This biofuel has the characteristic of being produced from biomass and it is feasible to use it as a source of renewable energy. In the present investigation, the implementation of the bioethanol production system in a hybrid batch reactor for use in an internal combustion engine is studied. They were designed and built for the purposes of this project: a heat exchanger (distiller), two tanks of acid solution and base, taking into account the kinetic parameters involved in the fermentation and distillation process. A system of indicators is used to monitor and control the parameters during the production of the biofuel in the reactor. A methodology of the fermentation and distillation process was developed based on the experimental design carried out at the laboratory level to obtain bioethanol. Fermentation was carried out from orange juice using the yeast textit Saccharomyces cerevisiae with the aim of converting sugars to bioethanol. The fermentation was carried out at a temperature between 28 and 32 ◦C, pH 4.0 to 4.5 in anaerobic medium under constant stirring at 300 rpm. These parameters are optimal for the growth of the yeast during fermentation. The separation of the alcohol was carried out, using a distillation with the reactor. Finally, the physicochemical characterization, the gas chromatography analysis to know the purity and finally, the injection in a CFR engine were carried out, in order to validate the quality of the gasoline-bioethanol mixture in two compositions E5% and E10%. From these mixtures were evaluated the levels of average maximum pressure in the chamber, duration of the first phase of combustion and autoignition values. With this research we obtain the methodology for the production of mediumscale bioethanol, from a raw material of organic origin and whose process gives rise to the study of biofuels from different types of biomass with high content of sucrose, obtaining reasonable quantities with the desired specifications for evaluation in different types of internal combustion engines.

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