WO2009154437A1 - Proceso y aparato para extraer biodiesel a partir de algas - Google Patents

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    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Definitions

  • the present invention relates to a process of extracting diesel from algae, where the process starts from the phase of algae cultivation, continues with the extraction of lipids from the algae and the transformation of lipids into the final product .
  • One more element that adds to these energies is the oil generated by the algae, which unlike other sources contain up to 60% of oil by weight.
  • the algae requires very few elements to grow, water, nutrients and sun, and can be produced in ponds or in closed circuits and has the capacity to produce immense amounts of oil.
  • US patent application US2008086939 refers to a system and method for algae growth with improved photo efficiency.
  • the system includes reactor formed with a duct to grow algae cells in a medium.
  • the system provides the methods through the pipeline to move the medium at a predetermined speed so that the algae cells efficiently convert solar energy into chemical energy, a plurality of barriers have been positioned in the fluid stream. These barriers are separated by predetermined distances to create the von Karman vortex in the middle. As a result, the algae flow to the surface of the fluid to receive solar energy at periodic intervals of time.
  • the system is open and considers a paddle wheel to move the medium.
  • US patent application US2008086939 refers to a system and method for algae growth with improved photo efficiency.
  • the system includes reactor formed with a duct to grow algae cells in a medium.
  • the system provides the methods through the pipeline to move the medium at a predetermined speed so that the algae cells efficiently convert solar energy into chemical energy, a plurality of barriers have been positioned in the fluid stream. These barriers are separated by predetermined distances to create the von Karman vortex in the middle. As a result, the algae flow to the surface of the fluid to receive solar energy at periodic intervals of time.
  • the system is open and considers a paddle wheel to move the medium.
  • US patent application US2008086938 refers to a system and method for producing biofuel from pollutant streams for algae growth, which is completely different from the invention presented.
  • US Patent Application US2008090284 refers to a system for processing algae and obtaining a biofuel.
  • the document refers to a completely different process to that described in the present invention.
  • US Patent Application US2008090284 refers to a system for processing algae and obtaining a biofuel.
  • the document refers to a completely different process to that described in the present invention.
  • WO2008048861 refers to a system and method for producing algae with a high oil content. This system, like the previous ones, has as its main difference being an open system.
  • WO2008060571 refers to a method and compositions for the production and purification of biofuels from plants and micro algae.
  • the process includes some of the varieties of algae with a high content of oils
  • the document differs from the present invention in that it uses a carbonic nano-material with a particle size of less than 500 nanometers.
  • US Patent US3955317 is a system for plant growth in a transparent plastic tubular structure, where the algae contains nutrients and a stream of carbon dioxide is passed through. This invention is focused on food production and is a horizontal structure.
  • Patent application publication FR 20907311 Refers to an algae culture system where the algae are in a floating tubular system and has means to float the system on water or on the sea. The system includes dark areas and lighted areas. This invention also does not approach the present invention.
  • US Pat. No. 7135308 refers to a process for obtaining ethanol from algae, which is completely different from the present invention.
  • US patent application US20070048848 although it refers to closed systems for the cultivation of algae, the system includes bags with several layers that include thermal barriers to regulate the temperature of the algae. In addition, the system comprises several mechanisms to move the fluid within the system and provides means for regulating the temperature.
  • Figure 1 is a simplified flow chart of the process for the growth and extraction section.
  • Figure 2 is a perspective drawing of the growth reactor (2), where the jacket is seen in the lower horizontal section (7).
  • Figure 3 is a top view of the growth reactor, where the lower horizontal sections (4) are offset with respect to the upper ones
  • Figure 4 is a simplified diagram of the process flow for the biodiesel obtaining process section.
  • Figure 5 is a simplified process flow diagram for the glycerin purification section.
  • the present invention relates to a system for algae growth, lipid extraction and transesterification of lipids to obtain biodiesel.
  • the system comprises three sections that are growth, extraction and storage and reaction.
  • the growth section consists of a mixing tank (1), a growth reactor consisting of a continuous tubular structure (2) (closed system) in three dimensions consisting of transparent tubular frames which in turn consist of sections horizontal upper (3) and lower (4) and vertical sections (5) where the frames are joined in each section by 90 degree elbows (6) and in the lower part of each frame one of the elbows is offset with respect to to the vertical plane to allow continuity with the following frame, the vertical sections being parallel, but not the horizontal ones.
  • the lower horizontal sections are covered by an opaque jacket (7) fed with water that allows maintaining the temperature of the medium in a suitable range for the growth of the algae.
  • the elbows and the lower part of the macos is opaque to give the seaweed periods of shade and favor its growth.
  • the material used can be plastic, glass, or any transparent and resistant material.
  • the system has a diaphragm pump (8) to move the medium and a biomass detection system (9) which is placed at the end of the growth reactor (2) that defines the harvest time of the algae by two sensors (10) that measure the density of the medium and the light that passes through the medium.
  • the system has a series of sensors that are managed by a process control system or distributed control system (DCS), where a series of sensors act on pumps or valves to supply nutrients or allow the output of gases or algae of the closed system.
  • DCS distributed control system
  • the length of the tubes and the diameter will depend directly on the production capacity of the growth reactor.
  • the system has a means to harvest the algae which consists of a centrifuge (11) where the algae and the excess nutrients are separated.
  • the algae is sent to a lipid extraction system that is a reactor (12) that operates with a series of in-line ultrasound emitters (13).
  • the number of emitters and the length of the reactor depends on the amount and type of algae to be processed.
  • the exposure area of the algae to ultrasound inside the reactor may be plated (14) to lower the temperature of the algae when exposed to the treatment.
  • the lipids extracted in turn are sent to a secondary extraction equipment (15) which can be a compression extraction equipment or a collection equipment by mixing with alcohol and an evaporator (16), to be subsequently sent to a centrifuge (17) that removes excess water and subsequently to storage tanks (18), from where it is sent to the daily tanks for biodiesel production.
  • a secondary extraction equipment which can be a compression extraction equipment or a collection equipment by mixing with alcohol and an evaporator (16)
  • a centrifuge (17) that removes excess water and subsequently to storage tanks (18), from where it is sent to the daily tanks for biodiesel production.
  • the process system has a pumping equipment (19) to transfer the oil to an in-line heater (20) and then to the process reactor (23). It also has a static mixer (21) that has an input port (22) at the beginning of the mixer to generate turbulence and obtain a better mixing of the oil with the catalyst that comes from the catalyst tanks (25).
  • the reaction equipment consists of two daily tanks (24) and two catalyst tanks (25). The number of tanks being variable depending on the capacity of the plant.
  • the reaction equipment (23) has a series of in-line ultrasound emitters (26).
  • the geometry of the reactor is preferably tubular.
  • At the exit of the production reactor there are two waiting tanks (27) and a centrifuge (28) to separate the biodiesel from glycerol.
  • the biodiesel obtained is sent to a filter battery (29) with a cation exchange polymer for purification and glycerol is sent to a secondary system for treatment.
  • the secondary system To treat the glycerol obtained from the centrifuge, it is passed through a heat exchanger (30) where the excess methanol is removed by evaporation, the secondary system has a process tank (31) and a filter press (32) to capture glycerol contaminants.
  • the system also has an electrodialysis equipment (33) consisting of electrodes and a series of cationic and anionic membranes placed alternately to remove glycerol salts.
  • the production process begins with the filling of the bioreactor with water, nutrients and CO2, then the algae (500 liters of biomass) is sown in the mixing tank (1) and the nutrients required in the medium are adjusted.
  • the pumping starts from the mixing tank (1) and the recirculation in the bioreactor (2) begins.
  • the distributed control system starts pumping cold or hot water to the cooling jacket (7) of the bioreactor to adjust the temperature of the medium to a temperature range between 20 to 40 degrees Celsius.
  • the algae can be Neochloris oleoabundans, Chlorella vulgaris, Dunaliella Bioculata, Botryococcus Baunii, etc., the algae not being limiting for the described process.
  • the speed of recirculation, the residence time and the speed of growth vary according to the type of algae, as well as and the density and light absorbance, properties that determine the harvest time.
  • a three-way valve (not illustrated) regulated by the light absorbance and the density of the culture medium.
  • the three-way valve diverts the flow towards a centrifuge (11) that separates the excess water from the biomass.
  • the excess water is returned to the mixing tank (1) since it contains a large amount of nutrients and the biomass is sent to the lipid extraction section.
  • the amount of CO2 that will be supplied to the system will always be at least twice the weight of algae produced, because 50% of the algae is Coal and carbon dioxide is 25% Coal.
  • the nutrients that will be supplied will vary in relation to each algae in ranges less than 30%, however the metals and vitamins will not vary.
  • the temperature range will be maintained between 20 and 40 degrees Celsius, preferably between 25 and 28 degrees Celsius.
  • the PH will be maintained in a range of 8.2 to 8.7 through the injection of some base such as sodium carbonate, sodium hydroxide, etc.
  • the densimeter and the light meter will indicate when to harvest the algae produced.
  • the extraction process begins with the pumping of the biomass through the extraction equipment (12) that contains sound emitters (13), flowing in line from one to another sound emission equipment, which work with an energy of 16000 W at 20 KHz.
  • the number of emitters (13), their capacity, as well as the diameter of the reactor will depend on the biomass feed, maintaining the residence time in the extraction equipment for a time of between one to two minutes.
  • the sonic energy will act on the outer walls of the seaweed and on the inner wall of the seaweed oil sack creating micro implosions and explosions that finally make the walls of the algae and the sack break.
  • another process should be used to extract the oil that remains inside the seaweed. This additional process can be any of those popularly known, either through compression (15) or through its capture with alcohols (16) for subsequent evaporation.
  • the product is finally sent to a centrifuge (17) for separation and pipeline delivery to the process storage tanks (24).
  • the transesterification process begins with the pumping of the oil from the storage tanks (18) to the diary tank (24) (although a characterization of the algae oil has already been attached, in fact any type of vegetable oil can be used in this process), the daily tank is filled with the amount of oil needed to process in the turn and the pumping of the methanol to the in-line heater (20) begins.
  • the catalysis tank (25) is filled with the amount of methanol necessary to process the oil up to 20% by volume against the oil tank (24) and 5% of potassium hydroxide in granule is added. When potassium hydroxide is at a concentration of 99%. Mix until a perfect solution of potassium hydroxide in methanol.
  • the oil is pumped at a rate of 120 gallons per minute to the in-line heater (20) where the temperature of the oil to be processed is raised to 50 degrees Celsius. This speed varies depending on the capacity of the plant.
  • the pumping of the catalyst to the static mixer (21) is started at a rate of 20% of the oil pumped, the catalyst and the oil start mixing in the mixing port of the static mixer (22).
  • the product is pumped into a battery of sonification equipment (26) (The number of emitters (26), their capacity, as well as the diameter of the process reactor (23) will depend on the speed of the product), which will break the oil molecule causing the reaction that started in the static mixer port (22) to accelerate and be achieved during its passage in the production line.
  • the amount of ultrasound equipment (26) that is required will depend directly on the desired production volume.
  • reaction tanks (27) In order to ensure 100% of the reaction, two reaction tanks (27) will be placed with the necessary capacity to maintain four hours of production, at the end of filling the first tank the filling of the first tank will begin. second, to immediately send the product from the first tank to a centrifuge (28) that will separate the Biodiesel from Glycerol.
  • the Biodiesel will be sent to a filter battery (29) with an acid-exchange polymer, in the form of hydrogen ions, that will clean the impurities it contains and give us the finished product that is subsequently stored.
  • the glycerol will be sent to a heat exchanger (30) for the extraction of methanol by evaporation. Subsequently, it is sent to a process tank (31) that in the presence of activated carbon will absorb or remove oils, color, smell, etc. The resulting product is sent to a filter press (32) to capture all contaminants.
  • glycerol is sent to an electrodialysis process (33) consisting of electrodes and a series of cationic and anionic membranes placed alternately that act to the passage of the electric current and glycerol, sending the salts as chlorides, sulfates, etc. to the anode and positively charged species such as sodium will migrate to the cathode, thus allowing the elimination of glycerol salts.
  • electrodialysis process consisting of electrodes and a series of cationic and anionic membranes placed alternately that act to the passage of the electric current and glycerol, sending the salts as chlorides, sulfates, etc. to the anode and positively charged species such as sodium will migrate to the cathode, thus allowing the elimination of glycerol salts.
  • the only sub-product we have of the entire process will be the cake of impurities that leave the filter press and a brine that will leave the electrodialysis process.
  • This cake has combustible properties, so it can be used to make other products by drying and molding, such as artificial firewood when mixed with flavoring essences.

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema para el crecimiento del alga, extracción de lípidos y transesterificación de los lípidos para obtener biodiesel. El sistema comprende tres secciones que son crecimiento, extracción y almacenamiento y reacción. En el área de extracción de lípidos se cuenta con un reactor de ultrasonido donde se rompen las paredes externas del alga así como las del saco de aceite para permitir Ia extracción de los lípidos, en el área de transesterificación se cuenta igualmente con un reactor de ultrasonido que rompe las moléculas del fluido que pasa a través de el para acelera Ia reacción y hacerla casi inmediata.

Description

Proceso y aparato para extraer biodiesel a partir de algas.
Campo Técnico de Ia invención
La presente invención se refiere a un proceso de extracción de diesel a partir de algas, en donde el proceso inicia desde Ia fase de cultivo de las algas, continúa con Ia extracción de los lípidos del alga y Ia transformación de los lípidos en el producto final.
Antecedentes
Conforme nos acercamos a Ia economía post petrolera, Ia mezcla de futuras energías emergentes esta cada vez más en el futuro cercano.
Un elemento más que se suma a estas energías es el aceite generado por las algas, que a diferencia de otras fuentes contienen hasta 60% de aceite en peso.
El alga requiere de muy pocos elementos para crecer, agua, nutrientes y sol, y puede ser producida en estanques o en circuitos cerrados y tiene Ia capacidad para producir inmensas cantidades de aceite.
La solicitud de patente de los Estados Unidos US2008086939 refiere un sistema y método para el crecimiento del alga con foto eficiencia mejorada. El sistema incluye reactor formado con un ducto para crecer las células de alga en un medio.
Posteriormente el sistema provee los métodos a través del ducto para mover el medio a una velocidad predeterminada de manera que las células del alga conviertan eficientemente Ia energía solar en energía química, una pluralidad de barreras han sido posicionadas en Ia corriente del fluido. Estas barreras están separadas por distancias predeterminadas para crear el vórtice de von Karman en el medio. Como resultado las algas fluyen a Ia superficie del fluido para recibir Ia energía solar en intervalos periódicos de tiempo. El sistema es abierto y considera una rueda de paletas para mover el medio. La solicitud de patente de los Estados Unidos US2008086939 refiere un sistema y método para el crecimiento del alga con foto eficiencia mejorada. El sistema incluye reactor formado con un ducto para crecer las células de alga en un medio. Posteriormente el sistema provee los métodos a través del ducto para mover el medio a una velocidad predeterminada de manera que las células del alga conviertan eficientemente Ia energía solar en energía química, una pluralidad de barreras han sido posicionadas en Ia corriente del fluido. Estas barreras están separadas por distancias predeterminadas para crear el vórtice de von Karman en el medio. Como resultado las algas fluyen a Ia superficie del fluido para recibir Ia energía solar en intervalos periódicos de tiempo. El sistema es abierto y considera una rueda de paletas para mover el medio.
La solicitud de patente de los Estados Unidos US2008086938 se refiere a un sistema y método para producir biocombustible a partir de unas corrientes contaminantes para el crecimiento de algas, Io cual es completamente diferente a Ia invención que se presenta.
La solicitud de patente de los Estados Unidos US2008090284 se refiere a un sistema para procesar algas y obtener un biocombustible. El documento refiere un proceso completamente diferente al descrito en Ia presente invención.
La solicitud de patente de los Estados Unidos US2008090284 se refiere a un sistema para procesar algas y obtener un biocombustible. El documento refiere un proceso completamente diferente al descrito en Ia presente invención.
El documento WO2008048861 se refiere a un sistema y método para producir algas con un alto contenido de aceite. Este sistema al igual que los anteriores, tiene como principal diferencia el ser un sistema abierto.
El documento WO2008060571 refiere a un método y composiciones para Ia producción y purificación de biocombustibles a partir de plantas y micro algas. El proceso contempla algunas de las variedades de algas con un alto contenido de aceites. El documento difiere de Ia presente invención por que utiliza un nano- material carbónico con un tamaño de partícula menor a 500 nanómetros.
La patente de los Estados Unidos US3955317 es un sistema para crecimiento de plantas en una estructura tubular de plástico transparente, en donde el alga contiene nutrientes y se Ie hace pasar una corriente de bióxido de carbono. Esta invención está enfocada a Ia producción de alimento y se trata de una estructura horizontal.
La publicación de solicitud de patente FR 20907311 Se refiere a un sistema de cultivo de algas en donde las algas se encuentran en un sistema tubular flotante y cuenta con medios para hacer flotar el sistema sobre agua o sobre el mar. El sistema contempla zonas obscuras y zonas iluminadas. Eta invención tampoco se acerca a Ia presente invención.
La patente de los Estados Unidos US7135308 se refiere a un proceso de obtención de etanol a partir de algas, Io cual es completamente diferente a Ia presente invención.
La solicitud de patente de los Estados Unidos US20070048848 si bien se refiere a sistema cerrados para el cultivo d alga, el sistema incluye bolsas con varias capas que incluyen barreras térmicas para regular Ia temperatura del alga. Además, el sistema comprende varios mecanismos para mover el fluido dentro del sistema y provee medios para Ia regulación de Ia temperatura.
Descripción de Ia invención
Descripción de Figuras
La figurai es un diagrama de flujo simplificado del proceso para Ia sección de crecimiento y extracción.
La figura 2 es un dibujo en perspectiva del reactor de crecimiento (2), en donde se aprecia Ia chaqueta en Ia sección horizontal inferior (7).
La figura 3 es una vista superior del reactor de crecimiento, en donde se aprecian las secciones horizontales inferiores (4) desfasadas con respecto a las superiores
(3). Se aprecia también Ia sección inferior enchaquetada (7).
La figura 4 es un diagrama simplificado del flujo del proceso para Ia sección de proceso de obtención de biodiesel.
La figura 5 es un diagrama de flujo de proceso simplificado para Ia sección de purificación de glicerina.
La presente invención se refiere a un sistema para el crecimiento del alga, extracción de lípidos y transesterificación de los lípidos para obtener biodiesel. El sistema comprende tres secciones que son crecimiento, extracción y almacenamiento y reacción.
La sección de crecimiento consiste de un tanque de mezcla (1), un reactor de crecimiento que consiste de una estructura tubular continua (2) (sistema cerrado) en tres dimensiones que está constituida por marcos tubulares transparentes los cuales a su vez consisten de secciones horizontales superior (3) e inferior (4) y secciones verticales (5) en donde os marcos están unidos en cada sección por codos de 90 grados (6) y en Ia parte inferior de cada marco uno de los codos se encuentra desfasado con respecto al plano vertical para permitir Ia continuidad con el siguiente marco, siendo paralelas las secciones verticales, mas no así las horizontales. Las secciones horizontales inferiores se encuentran recubiertas por una chaqueta opaca (7) alimentada con agua que permite mantener Ia temperatura del medio en un intervalo adecuado para el crecimiento del alga. Los codos y Ia parte inferior de los macos es opaca para darle al alga periodos de sombra y favorecer su crecimiento. El material utilizado puede ser plástico, vidrio, o cualquier material transparente y resistente. El sistema cuenta con una bomba de diafragma (8) para mover el medio y un sistema de de detección de biomasa (9) el cual se encuentra colocado al final del reactor de crecimiento (2) que define el momento de cosecha del alga mediante dos sensores (10) que miden Ia densidad del medio y Ia luz que traspasa el medio.
Para controlar Ia producción el sistema cuenta con una serie de sensores que son manejados por un sistema de control de proceso o sistema de control distribuido (DCS), en donde una serie de sensores actúan sobre bombas o válvulas para suministrar nutrientes o permitir Ia salida de gases o algas del sistema cerrado.
La longitud de los tubos y el diámetro dependerán en forma directa de Ia capacidad de producción del reactor de crecimiento.
El sistema cuenta con un medio para cosechar el alga el cual consiste en una centrífuga (11) en donde se separan el alga y el exceso de nutrientes. El alga es enviada a un sistema de extracción de lípidos que es un reactor (12) que opera con una serie de emisores de ultrasonido (13) en línea. El numero de emisores y Ia longitud del reactor depende de Ia cantidad y del tipo de alga a procesar. El área de exposición del alga al ultrasonido dentro del reactor podrá estar enchaquetada (14) para bajar Ia temperatura del alga al ser expuesta al tratamiento. Los lípidos extraídos a su vez son enviados a un equipo secundario de extracción (15) que puede ser un equipo de extracción por compresión o un equipo de obtención mediante el mezclado con alcohol y un evaporador (16), para posteriormente ser enviados a una centrifuga (17) que elimina el exceso de agua y posteriormente a tanques de almacenamiento (18), de donde se envía a los tanques de diario para Ia producción de biodiesel.
El sistema de proceso cuenta con un equipo de bombeo (19) para trasladar al aceite hacia un calentador en línea (20) y posteriormente al reactor de proceso (23). Cuenta también con un mezclador estático (21) que tiene un puerto de entrada (22) al inicio del mezclador para generar turbulencia y obtener un mejor mezclado del aceite con el catalizador que proviene de los tanques de catalizador (25).
El equipo de reacción consiste en dos tanques de diario (24) y dos tanques de catalizador (25). Siendo el numero de tanques variable dependiendo de Ia capacidad de Ia planta. El equipo de reacción (23) cuenta con una serie de emisores de ultrasonido en línea (26). La geometría del reactor, preferentemente es tubular. A Ia salida del reactor de producción se cuenta con dos tanques de espera (27) y una centrifuga (28) para separar el biodiesel del glicerol.
El biodiesel que se obtiene es enviado a una batería de filtros (29) con un polímero de intercambio de cationes para su purificación y el glicerol se envía a un sistema secundario para su tratamiento.
Para tratar el glicerol obtenido de Ia centrífuga, se pasa a través de un intercambiador de calor (30) donde se extrae el exceso de metanol por evaporación, el sistema secundario cuenta con un tanque de proceso (31) y un filtro prensa (32) para capturar los contaminantes del glicerol. El sistema tiene además un equipo de electrodiálisis (33) que consiste en electrodos y una serie de membranas catiónicas y aniónicas colocadas en forma alternada para eliminar las sales del glicerol.
El estado de Ia técnica nos ensena que existe un gran numero de posibilidades de obtener diesel a partir de plantas y otros seres vivos (biodiesel) los procesos se pueden resumir en Ia extracción del aceite, reacción con metanol mezclado con hidróxido de sodio o hidróxido de potasio (transesterificación), lavados con agua para eliminar jabones y otras impurezas. Uno de los problemas para Ia producción de biodiesel es Ia velocidad con Ia que se obtienen resultados, Io que implica un mayor consumo de energía y mayor tiempo de producción. Para eliminar este problema el sistema propuesto cuenta entre otros conceptos innovadores con un sistema de extracción que utiliza emisores de ultrasonido para romper el saco que contiene el aceite en el alga, incrementando Ia velocidad de extracción y disminuyendo el uso de energía. Otra aportación de nuestro proceso consiste en el uso de ultrasonido para acelerar Ia reacción de transesterificación, disminuyendo el tiempo de reacción al pasa de ocho horas a menos de una hora, alcanzando así su máxima eficiencia, con una eficiencia en Ia reacción superior al 98 por ciento. El proceso de producción inicia con el llenado del bioreactor con agua, nutrientes y CO2, posteriormente se siembra el alga (500 litros de biomasa) en el tanque de mezcla (1) y se ajustan los nutrientes que se requieren en el medio. Se inicia el bombeo desde el tanque de mezclas (1 ) y se inicia Ia recirculación en el bioreactor (2). En caso necesario el sistema de control distribuido inicia el bombeo de agua fría o caliente hacia Ia chaqueta de enfriamiento (7) del bioreactor para ajusta Ia temperatura del medio a un rango de temperaturas de entre 20 a 40 grados centígrados. El alga puede ser Neochloris oleoabundans, Chlorella vulgaris, Dunaliella Bioculata, Botryococcus Baunii, etc., no siendo limitante el alga para el proceso descrito.
La velocidad de recirculación, el tiempo de residencia y Ia velocidad de crecimiento varían de acuerdo al tipo del alga, así como y Ia densidad y Ia absorbancia de luz, propiedades que determinan el tiempo de cosecha.
A Ia entrada del retorno del alga hacia el tanque de mezclas se encuentra una válvula de tres vías (no ilustrada) regulada por Ia absorbancia de luz y Ia densidad del medio de cultivo. Cuando las variables alcanzan los parámetros establecidos (que dependen de cada alga en particular) Ia válvula de tres vías desvía el flujo hacia una centrifuga (11 ) que separa el exceso de agua de Ia biomasa. El exceso de agua es regresado al tanque de mezclas (1 ) dado que contiene una gran cantidad de nutrientes y Ia biomasa es enviada a Ia sección de extracción de lípidos.
Para controlar nuestra producción contamos con una serie de sensores que son manejados por nuestro sistema de control de proceso, dichos sensores actúan sobre bombas o válvulas para suministrar nutrientes o permitir Ia salida de gases o alga del sistema cerrado.
Dichos sensores son:
• Sensor de Oxigeno disuelto • Sensor de Oxigeno de desfogue • Sensor de CO2
• Sensor de Temperatura
• Sensor de PH
• Sensor de Luz • Sensor de Conductividad
• Medidor de Densidad
La cantidad de CO2 que se suministrara al sistema siempre será de al menos del doble del peso de alga producida, debido a que el 50 % del alga es Carbón y el dióxido de carbono es 25% Carbón.
Los nutrientes que se suministraran variaran en relación a cada alga en rangos menores a 30%, sin embargo los metales y vitaminas no variaran.
Como indicativo inicial el rango de nutrientes será como sigue:
Na 15.5%
Ca 8.1 %
Mg 1.3%
P 19.1 %
N 56%
Fe 0.65mg 1-1
Mn 0.05mg 1-1
Cu 2.5 μg
Zn 5 μg
Co 2.5 μg
Mo 2.5 μg
Ti amina 0.1mg l-1
Biotina 0.5 μg/l B12 0.5 μg/l
El rango de temperatura se mantendrá entre 20 y 40 Grados Centígrados preferentemente entre 25 y 28 gados centígrados.
El PH se mantendrá en un rango de 8.2 a 8.7 a través de Ia inyección de alguna base tal como carbonato de sodio, hidróxido de sodio, etc.
Dependiendo del tipo de alga el densímetro y el medidor de luz nos indicaran cuando cosechar el alga producida.
El proceso de extracción se inicia con el bombeo de Ia biomasa a través del equipo de extracción (12) que contiene emisores de sonido (13), fluyendo en línea de uno a otro equipo de emisión de sonido, los cuales trabajan con una energía de 16000 W a 20 KHz. El número de emisores (13), su capacidad, así como el diámetro del reactor dependerán de Ia alimentación de Ia biomasa, manteniendo el tiempo de residencia en el equipo de extracción por un tiempo de entre uno a dos minutos. La energía sónica actuara sobre las paredes externas del alga y sobre Ia pared interna del saco de aceite del alga creando micro implosiones y explosiones que finalmente logran que se rompan las paredes del alga y el saco. Adicionalmente deberá utilizase otro proceso para extraer el aceite que queda en el interior del alga. Este proceso adicional puede ser cualquiera de los conocidos popularmente, ya sea a través de compresión (15) o a través de su captura con alcoholes (16) para su posterior evaporación. El producto es enviado finalmente a una centrifuga (17) para su separación y envío por tubería a los tanques de almacenamiento de proceso (24).
El aceite extraído se caracteriza de acuerdo a Ia siguiente tabla
Composición de ácidos grasos (ISO5508/ISO5509)
C 14:0 n-tetradecanoico Menos de 0.1%
C 16:0 n-hexadecanoico 8.0%
C 16:1 hexadecanoico 0.2% C 17:0 n-heptadecanoico Menos de 0.1% C 17:1 heptadecanoico 0.1 %
C 18:0 n-octadecanoico 2.5%
C 18:1 octadecanoico 39.9% C 18:2 octadecadienoico (Omega 6) 39.0% C 18:3 alpha linolenico ALA (Omega 3) 7.3% C 18:4 octadecatetraenoico (Omega 3) Menos de 0.1%
C 20:0 n-e¡cosano¡co 0.4%
C 20:1 eicosenoico 0.8% C 20:2 eicosadienoico Menos de 0.1%
C 22:0 n-docosanoico 0.4%
C 22:1 docosenoico 0.1 %
C 23:0 tricosanoico Menos de 0.1 %
C 24:0 tetracosanoico 0.1 % C 22:6 docosahexaenoico DHA (Omega 3) Menos de 0.1 % Ácidos Grasos Saturados 11.7%
Ácidos Grasos Monoinsatuados 41.0% Ácidos Grasos PoIy insatuados 46.6% Ácidos Grasos Omega3 7.5% Ácidos Grasos Omega 6 39.0% Ácidos Grasos Desconocidos 0.7% El área de exposición del alga al ultrasonido podrá estar enchaquetada (14) para bajar Ia temperatura del alga al ser expuesta al tratamiento.
El proceso de transesterificación se inicia con el bombeo del aceite desde los tanques de almacenamiento (18) hacia el tanque de diario (24) (aunque ya se ha adjuntado una caracterización del aceite de alga, en realidad cualquier tipo de aceite vegetal puede ser utilizado en este proceso), se llena el tanque de diario con Ia cantidad de aceite necesario para procesar en el turno y se inicia el bombeo del metanol hacia el calentador en línea (20).
Se llena el tanque de catálisis (25) con Ia cantidad de metanol necesaria para procesar el aceite hasta el 20% en volumen contra el tanque de aceite (24) y se Ie añade el 5% de hidróxido de potasio en granulo. Cuando el hidróxido de potasio esta a una concentración de 99%. Se mezcla hasta lograr una perfecta disolución del hidróxido de potasio en el metanol.
El aceite se bombea a un ritmo de 120 galones por minuto hacia el calentador en línea (20) donde se eleva Ia temperatura del aceite a procesar a 50 grados centígrados. Esta velocidad varia dependiendo de Ia capacidad de Ia planta.
Al mismo tiempo se inicia el bombeo del catalizador hacia el mezclador estático (21) a un ritmo de 20% del aceite bombeado, el catalizador y el aceite inician su mezcla en el puerto de mezclas del mezclador estático (22).
El producto es bombeado hacia una batería de equipos de sonificación (26) (El número de emisores (26), su capacidad, así como el diámetro del reactor de proceso (23) dependerán de Ia velocidad de alimentación del producto), que romperán Ia molécula del aceite haciendo que Ia reacción que inicio en el puerto del mezclador estático (22) se acelere y se logre durante su paso en Ia línea de producción. La cantidad de equipos de ultrasonido (26) que se requiere dependerá en forma directa del volumen de producción deseado.
Con el objeto de asegurar el 100% de Ia reacción se colocaran dos tanques de reacción (27) con Ia capacidad necesaria para mantener cuatro horas de producción, al finalizar el llenado del primer tanque se iniciara el llenado del segundo, para de inmediato enviar el producto del primer tanque a una centrifuga (28) que separara el Biodiesel del Glicerol.
El Biodiesel se enviara a una batería de filtros (29) con un polímero de intercambio de cationes ácidos, en forma de iones de hidrogeno, que limpiara las impurezas que contenga y nos dará el producto terminado que posteriormente se almacena.
El glicerol será enviado a un intercambiador de calor (30) para Ia extracción del metanol por evaporación. Posteriormente se envía a un tanque de proceso (31) que en presencia de carbón activado absorberá o removerá aceites, color, olor, etc. El producto resultante se envía a un filtro prensa (32) para capturar todos los contaminantes.
Como siguiente paso se envía el glicerol a un proceso de electrodiálisis (33) consistente en electrodos y una serie de membranas catiónicas y aniónicas colocadas en forma alternada que actuaran al paso de Ia corriente eléctrica y de el glicerol enviando las sales como cloruros, sulfatos, etc. al ánodo y las especies cargadas positivamente como el sodio migraran hacia el cátodo, permitiendo de esta manera eliminar las sales del Glicerol.
El único sub producto que tenemos del proceso entero será Ia torta de impurezas que salen del filtro prensa y una salmuera que saldrá del proceso de electrodiálisis. Esta torta tiene propiedades combustibles, por Io que puede ser utilizada para elaborar otro tipo de productos mediante secado y moldeado, como leña artificial al mezclarse con esencias aromatizantes.
Las especificaciones del método ASTM con las que cumple nuestro producto Biodiesel B100 son las siguientes: ASTM D 6751 - 02 Requerimientos
Propiedad Método Limites Unidades
Punto de Inflamación, Copa cerrada D 93 130 min 0C
Agua y sedimentos D 2709 0.050 max % volumen
Viscosidad cinemática, 40 0 C D 445 1.9 - 6.0 mm2/s
Cenizas sulfatadas D 874 0.020 max wt. % Azufre total D 5453 0.05 max Wt. %
Corrosión de Cobre D 130 No. 3 max
Numero Cetario D 613 47 min
Punto de nube D 2500 Reporte a cliente 0C
Residuo de Carbón D 4530 0.050 max peso. %
Numero Acido D 664 0.80 max mg KOH/g
Glicerina Libre D 6584 0.020 peso. %
Glicerina Total D 6584 0.240 peso. %
Fosforo D 4951 0.0010 peso. %
Punto de destilación de vacio D 1160 360 0C max, a 0C
90% destilación
eterminar A determinar A determinar
De igual manera cumple con Ia norma Europea EN 14214 Propiedad Unidades LJm inf Lim sup Mét de prueba
Contenido de Ester % (m/m) 96,5 pr EN 14103d
Densidad a 15°C kg/m3 860 900 EN ISO 3675 / EN ISO 12185.
Viscosidad a 4O0C mm2/s 3,5 5,0 EN ISO 3104
Punto de inflamación > 101 ISO CD 3679e
Contenido de Azufre mg/kg 10
Remanente de alquitrán % (m/m) 0,3 EN ISO 10370
Numero Cetano 51 ,0 EN ISO 5165
Cenizas Sulfatadas % (m/m) 0,02 ISO 3987 Contenido de Agua mg/kg 500 EN ISO 12937
Contaminación Total mg/kg 24 EN 12662
Corrosión b de cobre rating Clase 1 Clase 1 EN ISO 2160
Estabilidad térmica
Estabilidad de Ox. 110°C horas 6 - EN 14112
Valor acido mg KOH/g - 0,5 Dr EN 14104
Valor de lodo 120 Dr EN 14111
Metil ester % (m/m) - 12 Dr EN 14103d
Metil ester (>= 4 Dob lig) % (m/m) - 1 Dr EN 14103
Contenido de metanol % (m/m) - 0,2 Dr EN 141101
Contenido de monogliceridos % (m/m) - 0,8 Dr EN 14105m
Contenido de digliceridos % (m/m) - 0,2 pr EN 14105m
Contenido de trigliceridos % (m/m) - 0,2 pr EN 14105m
Glicerina Libre % (m/m) - 0,02 pr EN 14105m/ pr EN 14106
Glicerina Total % (m/m) - 0,25 pr EN 14105m
Metales Básicos (Na+K) mg/kg 5 pr EN 14108 / DΓ
EN 14109
Contenido de Fosforo mg/kg 10 pr EN14107p

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema para obtener diesel a partir de algas que consiste de Un equipo de mezclado primario, un bioreactor tubular cerrado, un equipo centrifugo, un equipo de extracción, un equipo de extracción secundario, un segundo equipo de centrifugado, tanques de almacenamiento, tanques de catalizador, equipo de reacción, tanques de residencia temporal, tercer centrifugado y filtración.
Caracterizado por que el equipo de extracción es una tubería continua en donde se localizan diversos emisores de energía que generan ultrasonido para romper las paredes del alga.
2. Un sistema como el que se reivindico en Ia clausula anterior en donde el proceso de extracción secundario consiste de un equipo de compresión para extraer el aceite.
3. Un sistema como el que se reivindico en Ia clausula anterior en donde el proceso de extracción secundario consiste de un equipo de extracción con alcoholes.
4. Un sistema para obtener biodiesel como el que se reclamo en alguna de las clausulas anteriores, en donde el equipo de reacción consiste de un equipo de calentamiento para el aceite, un mezclador estático para el mezclado del aceite y el catalizador, una tubería continua donde se localizan diversos emisores de energía que generan ultrasonido para romper las moléculas de los componentes del aceite.
5. Un sistema para obtener biodiesel como el que se reclamo en alguna de las clausulas anteriores, en donde el bioreactor consiste de un sistema de marcos tubulares transparentes interconectados en su sección inferior alimentado por una bomba de diafragma.
6. Un sistema para obtener biodiesel como el que se reclamo en Ia clausula 6 en donde los marcos tubulares están enchaquetados en su sección inferior.
7. Un sistema para obtener biodiesel como el que se reclamo en alguna de las clausulas anteriores, en donde el equipo de extracción con ultrasonido esta enchaquetado.
8. Un proceso para Ia obtención de biodiesel a partir de algas en donde se siembra el alga en un tanque de mezclado primario, se adicionan los nutrientes para el crecimiento del alga y se hace pasar Ia corriente por un bioreactor consistente de macos tubulares en donde Ia sección inferior de los marcos esta enchaquetada y es opaca. La corriente es re circulada al tanque de almacenamiento hasta obtener una consistencia determinada por Ia absorbancia de luz y densidad. Una vez que Ia corriente alcanza las condiciones especificadas de absorbancia y densidad es desviada mediante una válvula de tres vías a una centrifuga para eliminar el exceso de agua y posteriormente ser enviada a un tanque de almacenamiento temporal de donde va a ser alimentada a un sistema de extracción de lípidos en que consiste de una tubería continua en donde se hace pasar energía a través de emisores de ultrasonido en un rango de energía de 16000 W a 2OkHz. El ultrasonido aplicado rompe las paredes externas e internas del alga y el saco de aceite, facilitando su posterior extracción mediante un proceso de compresión. El aceite obtenido es enviado a una centrifuga para posteriormente enviarse a los tanques de almacenamiento de proceso de biodiesel, de los tanques el aceite es enviado a un calentador y posteriormente a un mezclador estático en donde se mezcla con el catalizador. Ia mezcla es enviada al reactor en donde una energía 16000 W a 2OkHz es aplicada para acelerar Ia velocidad de reacción. El producto obtenido es enviado a una centrifuga y posteriormente a tanques de filtración y tanques de almacenamiento de producto.
9. Un proceso para obtener biodiesel a partir de algas como el que se reclamo en Ia clausula 8 en donde Ia extracción de los lípidos se realiza mediante el mezclado con alcohol y posterior evaporación.
10. Un proceso para obtener biodiesel a partir de algas como el que se reclamo en Ia clausula 8 en donde Ia temperatura en el bioreactor se .mantiene en un rango de 20 a 40 grados centígrados.
11. Un proceso para obtener biodiesel a partir de algas como el que se reclamo en Ia clausula 8 en donde Ia extracción de los lípidos se realiza un pH controlado en un rango de 8.2 a 8.7
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