Diseño de un proceso para la obtención de nanofibras de celulosa a partir de Stipa Ichu

Abstract

Se realizó el diseño de un proceso a escala piloto para la obtención de nanofibras de celulosa, a partir de fibras de Stipa Ichu de Perú. La etapa de pretratamiento de las fibras mediante explosión de vapor asistida por ácido acético fue considerada como la reacción principal. Esta etapa fue simulada bajo distintas concentraciones de solución de ácido acético y temperaturas para evaluar el rendimiento de redisposición de lignina. El modelo cinético de primer orden, para material lignocelulósico en condiciones de vapor, fue tomado de la literatura y se realizó el ajuste como parte de la validación en esta investigación. Se realizaron simulaciones del reactor para un rango de temperatura de 150 a 220°C y con concentraciones de ácido acético de 0.1 a 0.3 g/g de fibra seca dentro de la explosión por vapor. Se obtuvo el mejor resultado de redisposición del 92% de lignina de la fibra a 150°C, con una concentración de ácido acético de 0.1 g/g de fibra seca y un tiempo de residencia de 14 minutos. A partir de estos resultados se dimensionó el autoclave (reactor) principal y se establecieron consideraciones de diseño y operación del blanqueamiento, hidrólisis ácida, separación y concentración de las nanofibras de celulosa con el objetivo de producir nanoestructuras de ancho de 25 nm. Se diseñó un reactor de pretratamiento con capacidad de 600 L para tratar 15 kg de fibra in natura por lote. Con base en el análisis económico a 10 años, con producción de 5 toneladas anuales de nanofibras de celulosa, se determinó un VAN de 2.73 millones USD, TIR de 20% y un periodo de recuperación de 8 años. Se obtuvo un precio mínimo viable de 524 USD/kg. Y se determinó un e-factor de 108 para un rendimiento global de nanofibras del 23%.

A process design to obtain cellulose nanofibers on a pilot scale was carried out, from Peruvian Stipa Ichu. The pretreatment of the fibers by steam explosion assisted by acetic acid was considered as the main reaction. This stage was simulated under different concentrations of acetic acid solution and temperatures to evaluate the performance of lignin rearrangement after adjustment and validation of the first order kinetic model from literature. For main reactor design, simulations were carried out for a temperature range of 150 to 220°C and with acetic acid concentrations of 0.1 to 0.3 g/g of dry fiber within the steam explosion. The best result of rearrangement of 92% of lignin in the fiber was obtained at 150°C, with an acetic acid concentration of 0.1 g/g of dry fiber and 14 minutes. Based on these results, the main reactor operation, considerations for bleaching, acid hydrolysis, separation and concentration of cellulose nanofibers were established with the aim of producing nanostructures with a width of 25 nm. A pretreatment reactor with a capacity of 600 L was designed to treat 15 kg of natural fiber per batch. Based on the 10-year economic analysis, with a production of 5 tons of cellulose nanofibers per year, a NPV of 2.73 million USD, TIR of 20% and a payback period of 8 years were determined. A viable minimum price of 524 USD/kg was obtained. And an e-factor of 108 was determined for a global nanofiber yield of 23%.