En este trabajo se ha realizado el diseño preliminar de una planta de producción de poli(β-hidroxibutirato), PHB, mediante el empleo de microorganismos y a partir de glicerol como materia prima. El proceso consta de tres etapas: purificación de la materia prima, donde la corriente de glicerol, subproducto en la producción de biodiesel, se despoja del metanol que pudiese contener; fermentación, donde se produce PHB a partir de Cupriavidus necátor y por último, extracción del producto, donde se produce la lisis celular y se logra la separación y purificación del biopolímero.Fil: Ramos, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química (i); Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingenieria Quimica; ArgentinaFil: Estrada, Vanina Gisela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química (i); Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingenieria Quimica; ArgentinaFil: Diaz, Maria Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química (i); Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingenieria Quimica; ArgentinaFil: Villar, Marcelo Armando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Bahía Blanca. Planta Piloto de Ingeniería Química (i); Argentina. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Ingenieria Quimica; Argentin

Diaz, Maria Soledad

Estrada, Vanina Gisela

Ramos, Fernando Daniel

Villar, Marcelo Armando

Iberoamerican Journal of Industrial Engineering

LAReferencia - Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas Latinoamericanas

Spanish

Optimización de la producción de poli (β-hidroxibutirato) a partir de glicerol

En este trabajo se ha realizado el diseño preliminar de una planta de producción de poli(β-hidroxibutirato), PHB, mediante el empleo de microorganismos y a partir de glicerol como materia prima. El proceso consta de tres etapas: purificación de la materia prima, donde la corriente de glicerol, subproducto en la producción de biodiesel, se despoja del metanol que pudiese contener; fermentación, donde se produce PHB a partir de Cupriavidus necátor y por último, extracción del producto, donde se produce la lisis celular y se logra la separación y purificación del biopolímero.Sociedad Argentina de Informática e Investigación Operativ

Ramos, Fernando D.

Estrada, Vanina

Diaz, María Soledad

Villar, Marcelo A.

El Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

2do Simposio Argentino de Informatica Industrial, SII 2013
42 JAIIO - SII 2013 - ISSN: 2313-9102 - Page 228
Optimización de la Producción de Poli(-hidroxibutirato) 
a partir de Glicerol 
Fernando D. Ramos1, Vanina Estrada1, M. Soledad Diaz1, Marcelo A. Villar1 
 
1Planta Piloto de Ingeniería Química, PLAPIQUI (UNS-CONICET), 
Camino "La Carrindanga" Km. 7, 
(8000) Bahía Blanca, Argentina 
{fdramos, vestrada, sdiaz, mvillar}@plapiqui.edu.ar 
Resumen. En este trabajo se ha realizado el diseño preliminar de una planta de 
producción de poli(-hidroxibutirato), PHB, mediante el empleo de 
microorganismos y a partir de glicerol como materia prima. El proceso consta de 
tres etapas: purificación de la materia prima, donde la corriente de glicerol, 
subproducto en la producción de biodiesel, se despoja del metanol que pudiese 
contener; fermentación, donde se produce PHB a partir de Cupriavidus necátor y 
por último, extracción del producto, donde se produce la lisis celular y se logra la 
separación y purificación del biopolímero. 
Palabras Clave: Cupriavidus necator, optimización, poli(-hidroxibutirato) 
1   Introducción 
La producción de poli(hidroxialcanoatos) mediante microorganismos constituye una 
alternativa a la producción de polímeros a partir de combustibles fósiles. Asimismo, la 
producción actual de poli(-hidroxibutirato), PHB, a gran escala utiliza sustratos que 
resultan costosos y/o que compiten con la alimentación humana. En estos procesos, el 
costo de la materia prima alcanza hasta un 50% del costo de producción. 
Consecuentemente, es importante la utilización de fuentes de carbono más económicas, 
tales como glicerol, que es el principal subproducto de la producción de biodiesel. 
En Argentina, la industria del biodiesel ha crecido un 2250% desde el año 2006 [1], 
convirtiéndolo en el primer exportador mundial de este biocombustible, con una 
capacidad de producción instalada al 2012 de 3200000 tn/año. El biodiesel es producido 
principalmente a partir de la transesterificación de aceites vegetales con metanol (alcohol 
de cadena corta) catalizada por un ácido o una base dando como producto secundario el 
glicerol. Aunque este compuesto en estado puro es utilizado en diversas industrias tales 
como la farmacéutica, alimenticia, cosmética, etc., la sobreproducción acoplada a la 
producción de biodiesel hace que la oferta de glicerol sea mayor que la demanda.  
El objetivo de este estudio es desarrollar un modelo para el diseño óptimo de una 
planta de producción de PHB mediante el empleo de microorganismos y a partir de 
glicerol como materia prima. Para ello, se implementa dicho proceso en el simulador 
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comercial Aspen Plus [2] y se utilizan herramientas de optimización para alcanzar el 
objetivo planteado. El proceso consta de tres sectores: purificación de la materia prima 
(glicerol), fermentación y extracción del producto (PHB).  
En la etapa de purificación de glicerol, se realiza una optimización de cada uno de los 
equipos involucrados con el objetivo de obtener un mayor caudal de producto, teniendo en 
cuenta especificaciones de pureza, con los menores requerimientos de corrientes de 
servicio (agua de enfriamiento y vapor). Previamente, se efectúa un análisis de 
sensibilidad de los equipos más complejos para determinar los parámetros más 
influyentes. 
2   Descripción del proceso 
En el proceso de producción de PHB a partir de glicerol se pueden distinguir tres sectores 
principales en donde se lleva a cabo la purificación del glicerol, fermentación y extracción 
del producto. Debido a análisis previos de productividad de diferentes cepas de 
microorganismos, se escogió el Cupriavidus necator para ser inoculado y utilizarlo como 
productor del biopolímero de interés.[3] 
2.1   Sector de Purificación de Glicerol 
Una corriente de glicerol con metanol, agua y restos de triglicéridos, dependiendo de la 
procedencia de la materia prima [4], ingresa a este primer sector, donde se calienta para 
separar el metanol y parte del agua que ingresa con la misma a través de una evaporación 
instantánea. A continuación, se neutraliza con ácido clorhídrico (HCl) la corriente líquida 
proveniente del flash en un reactor, previo enfriamiento, con el objetivo de neutralizar el 
catalizador no utilizado proveniente del proceso previo de producción de biodiesel. Luego 
de realizada la reacción de neutralización, se eliminan los sólidos provenientes de la 
transesterificación (producción de biodiesel) como NaOCH3 y cenizas con la ayuda de 
una centrifuga. La corriente libre de sólidos insolubles se enfría haciéndola circular por un 
nuevo intercambiador para el ingreso de la misma a un decantador donde se lava la 
corriente con agua de proceso para obtener glicerol libre de sales y sólidos.  
Finalmente, el agua y las remanentes cantidades de metanol se remueven por 
evaporación en un flash y una columna de destilación, previo calentamiento a través de 
otro intercambiador de calor para obtener como producto final de esta primera etapa de 
proceso una corriente de glicerol la cual posteriormente se diluye para alcanzar las 
especificaciones necesarias y de esta manera poder brindar a los microorganismos la 
fuente de carbono necesaria en su crecimiento. 
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 Fig. 1. Esquema del proceso de purificación de glicerol. HE: Intercambiadores de calor, FH: 
flashes, RC: reactor de neutralización, CT: centrifuga, DC: decantador, CD: columna de destilación. 
2.2   Sector de Fermentación 
La corriente de glicerol purificada previamente, se diluye debido a requerimientos del 
microorganismo y por lo tanto  se debe someter a un proceso de esterilización, previo al 
ingreso al sector de fermentación. Para ello se comprime y calienta la corriente que posee 
la fuente de carbono que se va a alimentar al medio de cultivo.  
Previo al ingreso del glicerol al primer fermentador se lleva la corriente a condiciones 
de presión y temperatura ambiente, haciéndola pasar por una válvula y un intercambiador.  
En el primer fermentador, se lleva a cabo el crecimiento bacteriano, mientras que en el 
segundo se produce la acumulación de PHB en los microorganismos luego de someterlos 
a una limitación de alguno de sus nutrientes esenciales como nitrógeno, fósforo, 
magnesio, potasio o azufre.   
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2. Esquema del proceso de fermentación.BM: bomba, HE: intercambiadores de calor, VL: 
válvula, FR: fermentadores. 
HE2 Glicerol 
crudo 
Sólidos 
Metanol 
Glicerol 
purificado 
Fase orgánica 
Agua 
Agua y metanol 
Agua y metanol 
HE4 HE3 
HE1 
RC 
CT 
DC 
CD 
FH1 
FH2 
HCl 
HE5 HE6 BM 
VL 
FR1 FR2 
Glicerol 
purificad
o 
Microorganismos  
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s.t 
2.3   Sector de Extracción y Purificación de PHB 
La corriente proveniente del proceso de fermentación, se mezcla con formato de metilo, 
luego de un calentamiento por un intercambiador, se ingresa a un digestor donde se 
rompen las paredes celulares para liberar el PHB.  
Con una centrífuga se eliminan los restos insolubles de las paredes celulares que se 
generaron. La corriente rica en producto, agua y solvente se envía a un flash, donde 
previamente se la calienta por medio de un intercambiador logrando de esta manera la 
separación y obtención del biopolímero purificado.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3. Esquema del proceso de extracción de PHB. HE: intercambiadores de calor, DG: digestor, 
CT: centrífuga, FH: flash. 
3   Modelamiento y Optimización 
Los procesos descriptos se han implementado en el simulador comercial ASPEN, para una 
producción de PHB de 200 tn/año. Se lleva a cabo la optimización de uno de los sectores 
de la planta de producción de PHB, específicamente el correspondiente a la purificación 
de glicerol, donde se busca maximizar el caudal de materia prima purificado con el fin de 
lograr un mayor beneficio en la utilización de este subproducto de la industria del 
biodiesel  
Se formula un problema de optimización. A continuación se muestra la representación 
matemática del mismo:  
                                             Min Z=f(x)                                                                     (1) 
                                                   
                   
                                             g(x,y) ≤ 0                                                                          (2) 
                                     h(x,y)= 0                                                                           (3) 
                                     xL≤x≤xU                                                                            (4) 
HE7 
HE8 
FH3 
DG 
CT2 
Microorganismos 
Metanoato 
de metilo 
Sólidos 
Agua  
PHB 
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Donde Z es la función objetivo que se busca maximizar, para lograr finalmente obtener en 
este sector el mayor caudal de glicerol purificado con los menores costos operativos. Esto 
último se traduce en la minimización de los caudales de corrientes auxiliares para el 
proceso, como así también en las dimensiones de equipos; h(x,y) es el modelo matemático 
del proceso que se está optimizando, el cual incluye modelos rigurosos de columnas de 
destilación, tanques flash, intercambiadores de calor, etc.; g(x,y) corresponde a 
restricciones operativas y de calidad de producto, que incluyen recuperación de glicerol en 
cada una de las etapas de separación, la pureza del glicerol a la salida del sector de 
purificación, así como diferencias mínimas de temperaturas entre corrientes en los 
intercambiadores de calor. 
Las variables de optimización, x e y, incluyen temperaturas de operación de los 
separadores flash, presión de operación de las columnas de destilación, y caudales de las 
corrientes de servicios. Las predicciones termodinámicas se llevan a cabo con un modelo 
de coeficiente de actividad para la fase líquida (NRTL) y una ecuación de estado cúbica 
(RK-Soave) para la fase vapor. Dicho modelo provee una representación confiable del 
equilibrio de fases y propiedades termodinámicas. Finalmente, se calculan las 
dimensiones de cada uno de los equipos, sobredimensionándolos con un factor de 1,4. 
4   Resultados y Discusiones 
Como primera etapa, se lleva a cabo un análisis de sensibilidad, con el objeto de 
determinar las principales variables de optimización del proceso. Este estudio, que 
considera el impacto que tienen sobre la solución del problema presentado los cambios en 
los parámetros del modelo, se realiza en ASPEN para las distintas unidades del proceso. 
Se considera la variación de cada uno de ellos  de forma individual y manteniendo todos 
los otros constantes. Los resultados obtenidos para la torre de destilación se muestran en 
la Figura 4 y la Figura 5. Previamente se determinó que para alcanzar la especificación de 
pureza requerida por la siguiente etapa del proceso (99%) son necesario 6 de etapas de 
equilibrio en la mencionada columna de destilación. Se puede observar que tanto el caudal 
como la composición en la corriente de salida del producto deseado en este proceso son 
más sensibles a variaciones en la relación alimentación/destilado, mientras que una 
variación en el reflujo o en el plato el cual la columna es alimentada, no generan un 
cambio significativo en las especificaciones del glicerol purificado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Fig. 4. Análisis de sensibilidad de columna de destilación en la composición de glicerol de la 
corriente de proceso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 5. Análisis de sensibilidad de columna de destilación en el caudal de glicerol de la corriente de 
proceso. 
Los resultados de la optimización del proceso se muestran en las Tablas 1 a 3. Se reportan 
los valores óptimos para las corrientes auxiliares en los intercambiadores de calor a partir 
de las temperaturas óptimas de operación de cada uno de los flashes para lograr la 
remoción de los componentes no deseados en la corriente de proceso. Esto último se 
realiza utilizando el modo optimización de ASPEN, donde se define la función objetivo a 
minimizar, que para el caso de los intercambiadores de calor, resulta ser el caudal de la 
corriente auxiliar que debe ser provista a cada uno de ellos. Las restricciones a las que se 
encuentra sujeto este problema de optimización son las temperaturas requeridas de la 
corriente de proceso por los equipos aguas abajo del mismo (flashes, reactor y 
decantador). Se presenta también la relación alimentación/destilado de la columna de 
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destilación de purificación de glicerol y la pureza requerida para ser utilizado como fuente 
de carbono en el proceso de fermentación. 
Tabla 1. Optimización de los intercambiadores de calor en la etapa de purificación de 
glicerol. 
Equipos Presión de liquido 
calefactor/refrigerante 
Temperatura del liquido 
calefactor/refrigerante 
Caudal de liquido 
refrigerante/calefactor 
HE1 1,70 bar 115ºC 50 kg/h 
HE2 1bar 25ºC 81 kg/h 
HE3 1 bar 10ºC 84kg/h 
HE4 5 bar 151,90ºC 24kg/h 
Tabla 2. Optimización de los evaporadores en la etapa de purificación de glicerol. 
Equipos Temperatura de 
operación 
Presión de 
operación 
FH1 112,9ºC 1 bar 
FH2 129,9 1 bar 
 
Tabla 3. Optimización de la columna de destilación en la etapa de purificación de 
glicerol. 
Equipos Número de 
etapas de 
equilibrio 
Relación de 
reflujo 
Relación de 
alimentación/destilado 
Plato de 
alimentación 
CD 6 0,4 0,073 3 
 
Asimismo, se efectúa el dimensionamiento de los equipos que componen la planta de 
obtención de PHB, en el mismo entorno de optimización, con un factor de 
sobredimensionamiento de 1,4 [5]. Esto último, permitirá en un futuro trabajo la 
posibilidad de una evaluación de costos operativos, como así también una maximización 
de los beneficios obtenidos en este proceso. Las Tablas 4 a 6 muestran los valores de las 
dimensiones de los equipos utilizados en las tres etapas del proceso: purificación de 
glicerol, fermentación y extracción y purificación de PHB [6]. 
 
 
 
 
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Tabla 4. Dimensiones de equipos del sector de purificación de glicerol. 
Equipos  Diámetro(m) Altura o Largo (m) 
Área de 
intercambio 
(m2) 
Reactor 0,50 1  
Centrífuga 0,11 0,47  
Columna de 
destilación 
0,14 
 
 
Evaporadores 0,26 
 
 
  0,26 
 
 
Decantador 0,31 0,93  
Intercambiadores 
de calor 
  0,54 
    0,13 
    0,23 
    0,47 
Tanque de agua 3,60 7,20  
Tanque de glicerol 2,38 4,75  
Tanque de HCl 0,64 1,28  
Tabla 5. Dimensiones de equipos del sector de fermentación. 
Equipos Diámetro(m) Altura o largo (m) 
Área de 
intercambio 
(m2) 
Fermentadores 2,05 4,11 
   2,10 4,2 
 Intercambiadores 
de calor   7,57 
    16,92 
Tanque de agua 4,64 9,28 
 
Tabla 6. Dimensiones de equipos del sector de extracción de PHB. 
Equipos  Diámetro(m) Altura o Largo (m) 
Área de 
intercambio 
(m2) 
Digestor 0,55 1,1  
Evaporador 0,53 
 
 
Centrífuga 0,22 0,93  
Intercambiadores de calor   3 
    25 
Tanque de solvente 3,54 7,08  
Tanque de PHB 1,26 2,51  
Tanque de agua 3,70 7,4  
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5   Conclusiones 
En el presente trabajo se ha llevado a cabo el modelado, análisis de sensibilidad y 
optimización de una planta de producción de polihidroxialcanoatos mediante 
fermentación y usando glicerol (el co-producto de la producción de biodiesel) como 
sustrato. El proceso es de creciente interés para la producción de biopolímeros, en 
particular empleando materias primas que no compitan con la alimentación. El modelo se 
ha implementado en el simulador comercial Aspen Plus y se ha modificado para luego 
trabajar en modo optimización. Asimismo, se han dimensionado los equipos involucrados 
en el proceso. Los resultados obtenidos a partir de los estudios de sensibilidad realizados 
brindan un aporte indispensable en el momento de reducir las numerosas variables de 
optimización que existen en equipos complejos, como se describe para la torre de 
destilación. El modelo permite también la inclusión de las correlaciones de costos de 
capital, para el siguiente paso de maximización de los beneficios.  
Referencias 
1. Cámara Argentina de Recursos Renovables, http://www.cader.org.ar/informes-y-
estudios/informes-energia-biodiesel-anos-anterioers.htm 
2. Aspen Plus version 7.2, Aspen Technology, Inc., Cambridge, Massachusetts, USA, 2010 
3. Posada J.A., Naranjo J.M., Lopéz J.A., Higuita J.C., Cardona C.A. Design and analysis of phb 
production processes from crude glycerol. Process Biochemistry, Article in Press. doi: 
10.1016/j.procbio.2010.09.003 
4. Posada J.A., Cardona C.A., Rincón L.E. Sustainable biodiesel production from palm using in 
situ produced glycerol and biomass for raw bioethanol. In: 32nd symposium on biotechnology 
for fuels and chemicals 2010 
5. Ramos F.D., Estrada V., Diaz M.S., Villar M.A. Producción de Poli(-hidroxibutirato) a partir 
de Glicerol. Simulación y Dimensionamiento de Equipos. En: X Simposio Argentino de 
Polímeros 2013. 
6. Ulrich, Gael D. Economía de los Procesos de Ingeniería Química. McGraw-Hill 1992 


Optimización de la producción de poli(β-hidroxibutirato) a partir de glicerol

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