Proyecto Elaboracion de Etanol

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLOFACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PROYECTO DE CONTROL POR COMPUTADORAS

“DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA PARA MONITORIZAR EL PROCESO DE SACARIFICACIÓN

PARA LA ELABORACIÓN DE ETANOL”

AUTORES:

Ballena Rengifo Danteo dballenar @unprg.edu.pe

Montaño Guerrero Richardo rmontanog @unprg.edu.pe

Suarez Suxe José o [email protected]

Tesen Bravo Cinthyao ctesenb @unprg.edu.pe

ASESOR:

ING NOMBERA LOSSIO MARTIN

LAMBAYEQUE - Perú

2014

DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA PARA LA MONITORIZACION DEL PROCESO DE SACARIZACIÓN PARA LA ELABORACION DE ETANOL

mailto:[email protected]





PERFIL DE PROYECTO DE INVESTIGACIÓN APLICADA

I. ASPECTO INFORMATIVO

a. TÍTULO:

Diseño De Un Sistema SCADA para la monitorización del proceso de sacarización para La Elaboración De Etanol.

b. PERSONAL INVESTIGADOR:

2.1. RESPONSABLES:

Suarez Suxe Jose o [email protected]

Montaño Guerrero Richardo [email protected]

Ballena Rengifo Danteo [email protected]

Tesen Bravo Cinthyao [email protected]

2.2. ASESOR:ING. Nombera Lossio Martin

c. AREA DE INVESTIGACIÓN:

AUTOMATIZACIÓN

d. LUGAR DE EJECUCIÓN:

Laboratorio de la especialidad de Ing. Electrónica de la UNPRG

e. DURACION ESTIMADA:

27 de marzo de 2014 – 9 de junio de 2014



II. ASPECTO DE LA INVESTIGACIÓN

1.-RESUMEN

La producción de etanol surge por la necesidad de ampliar el universo de las energías de las ya existentes, pero su diferencia consiste en que es una fuente de energía renovable y que causa un bajo impacto en la contaminación del medio ambiente, de esta forma después del procesamiento de la CAÑA DE AZUCAR podemos obtener un tipo de energía verde, renovable y mucho más barata a las fuentes energéticas convencionales como la gasolina.

Para ello se realiza “Diseño De Un Sistema (SCADA) Para Monitorización en el proceso de licuefacción en la Elaboración De Etanol”; este sistema permitirá obtener variables como el temperatura y nivel que establecen en el proceso de licuefacción para la elaboración del etanol. Para esta propuesta se realizaron pruebas experimentales y análisis computacional utilizando el método de elementos finitos para estudiar el proceso de elaboración de etanol basándonos específicamente en el proceso de sacarización. En base a estos resultados podremos predecir las temperaturas y optimizar un buen proceso de elaboración del etanol.

El proyecto consiste en implementar este nuevo tipo de supervisión con el objetivo de lograr la supervisión rentable y la gestión a distancia del equipo de la industria azucarera de Pomalca en cualquier lugar del mundo.

PALABRAS CLAVES:

ETANOL PROCESO DE SACARIZACIÓN VARIABLES (TEMPERATURA y NIVEL) SISTEMA SCADA INDUSTRIA AZUCARERA DE POMALCA



2.-PLAN DE INVESTIGACIÓN

2.1 .-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1.1.- Situación problemática

I.- A NIVEL INTERNACIONAL

BRASIL

Brasil es el segundo mayor productor de etanol del mundo, el mayor exportador

mundial, y es considerado el líder internacional en materia de biocombustibles y la

primera economía en alcanzar un uso sostenible de los biocombustibles.

Juntos, Brasil y los Estados Unidos encabezan la producción de etanol, siendo

responsables en 2006 por el 70% de la producción mundial y casi el 90% del etanol

utilizado como combustible. En 2006 la producción brasileña fue de 16,3 mil millones

de litros, la cual representa el 33,3% de la producción mundial de etanol y el 42% del

etanol utilizado como combustible a nivel mundial. La proyección de la producción

total para 2008 se estima en 26,4 mil millones de litros.

La industria brasileña de etanol tiene más de 30 años de historia y utiliza como insumo

agrícola la caña de azúcar, emplea modernos equipos, ha desarrollado su propia

tecnología, los residuos de la caña son utilizados como para producir energía en el

proceso de destilación, por lo cual el precio del etanol brasileño es muy competitivo, y

consigue un relativamente alto balance energético (razón energía generado/energía

usada en el proceso) que varía ente 8,3 y 10,2 dependiendo del uso de las mejores

prácticas.8 La producción de etanol está concentrada en las regiones Centro y Sur del

país, siendo el Estado de São Paulo el principal productor. En estas dos regiones se

concentró casi el 90% de la producción brasileña de etanol en 2004, y el casi todo el

resto se produce en la Región Nordeste.

La industria automovilística brasileña desarrolló vehículos que operan con flexibilidad

en el tipo de combustible, llamados vehículos de combustible flexible, popularmente



conocidos como "flex" en Brasil, ya que el motor funciona con cualquier proporción

de gasolina (mezcla E20-E25) y etanol hídrico (E100). Disponibles en el mercado a

partir de 2003, estos vehículos resultaron un éxito comercial, y en agosto de 2008 la

flota de carros "flex" ya había alcanzado 6 millones de vehículos, incluyendo

automóviles y vehículos comerciales livianos, representando un 23% de la flota de

vehículos livianos de Brasil.10 El éxito de los vehículos "flex", en conjunto con el uso

obligatorio a nivel nacional de entre 20% y 25% de alcohol mezclado con gasolina

convencional (gasohol E25) para los vehículos de motor a gasolina, permitieron que el

consumo de etanol superase el consumo de gasolina a partir de abril de 2008. Al

considerar los otros combustibles utilizados por toda la flota, principalmente los

vehículos con motor diesel, el consumo de etanol destilado de la caña de azúcar en

2006 fue del 18% del consumo total de combustible del sector vial.

MÉXICO

El etanol es un alcohol que se produce a través de la fermentación de los azúcares o

del almidón extraído de la biomasa de ciertos cultivos La producción de etanol en

México se obtiene básicamente de la caña de azúcar. En el país se producen cerca de

cinco millones de toneladas de azúcar y aproximadamente 56 millones de litros de

etanol. Se estima que la capacidad instalada actualmente en las destilerías, es de

346,000 litros /día (Enríquez, 2005).

Sin embargo, la agroindustria de la caña de azúcar al igual que la del maíz, también

presenta problemas de baja productividad. A nivel nacional la agroindustria de la caña

de azúcar representa casi el 0.5 por ciento del PIB y genera aproximadamente 2.5

millones de empleos directos e indirectos. Por otro lado, este sector abarca más de

700 mil hectáreas cuya producción se canaliza a través de 58 ingenios azucareros.

Durante la zafra 2004-2005, la producción de etanol en México fue de 59.3 millones de



litros, un precario nivel si se compara con lo que produce Brasil, Estados Unidos o

Argentina, cuya producción en conjunto representa más del 58% del etanol mundial.

III.- A NIVEL NACIONAL Y LOCAL

PIURA (SULLANA)

EMPRESA CAÑA BRAVA

La Producción de Etanol Peruano trae consigo un aumento del área agrícola, crea empleo en zonas rurales. Con la cosecha como la Gasolina ecológica

Se produce por la fermentación y destilación de cereales como la caña de azúcar, la

cebada y el trigo. Otra forma de etanol, llamado bioetanol, se puede hacer de muchos

tipos de árboles y hierbas, aunque el proceso es más difícil. Su fórmula química es CH 3

CH 2 OH. Esencialmente, el etanol es etano con una molécula de hidrógeno sustituido

por un radical hidroxilo,-OH, que está unido a un átomo de carbono.

En Caña Brava somos pioneros en la producción de etanol en el Perú desde la compra

en el 2006 de 3,800 hectáreas de terrenos eriazos, destinados al proyecto Especial

Chira Piura. En el 2007 se inician los trabajos de preparación del terreno y del sistema

hidráulico. En noviembre de ese año se inician los cultivos de caña de azúcar. En el

2008 se inicia la construcción de la Fábrica de etanol, la primera en Latinoamérica con

un sistema de extracción directa y con una inversión de 60 millones de dólares. La

producción de este tipo de energía es muy buena para la economía Peruana, ya que

dicha producción apoya a los agricultores y crea muchos puestos de trabajo

nacionales, otro factor importante es que de dicha energía se produce en el país, a

partir de la caña de azúcar cultivadas en nuestro país, de esta forma se reduce la

dependencia de combustibles de otros países, del petróleo extranjero y aumenta la

independencia energética del Perú



LOCAL

EMPRESA AZUCARERA POMALCA

La Empresa Agroindustrial Pomalca tiene 15 mil hectáreas de tierras inscritas en los Registros Públicos de las cuales 12 mil son aptas para el cultivo de diferentes productos incluido caña de azúcar, alcachofas, ajíes, entre otros, dijo.

Actualmente tiene 6,500 hectáreas de área neta de caña de azúcar, con una capacidad instalada de campo de 9,500 hectáreas, que esperan tenerlas en plena capacidad en el 2009.

Las metas de la empresa para los próximos años es aumentar su capacidad instalada de fábrica de tres mil toneladas de caña por cada 24 horas a 4,500 toneladas, y contar con mil hectáreas de riego tecnificado para cultivos de agro exportación.

Asimismo, ya tienen más de 100 pozos de agua instalados operativos y prevén aumentar su número a 200 para los meses de mayo y junio del 2008, que es la época de estiaje (escasez de agua).

La Empresa Agroindustrial Pomalca, la azucarera tomo su decisión final sobre la capacidad de producción de su planta de etanol, que podría ser de 150 mil litros por día o 400 mil.

La primera opción implica construir una planta de etanol sólo para la azucarera Pomalca y con ella seguir produciendo azúcar; mientras que la segunda implica, participar en una asociación con Azucarera Tumán y agricultores particulares, para hacer una mega planta de 400 mil litros por día.

2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DISEÑO DE UN SISTEMA SCADA PARA LA MONITORIZACION DEL PROCESO DE SACARIZACIÓN

PARA LA ELABORACION DE ETANOL


En la actualidad la automatización de procesos en las diferentes actividades de la vida del hombre, se ha convertido en una necesidad. Existen procesos que por su complejidad o condición de seguridad, no pueden ser controlados de forma manual pero para mejorarlos existe la ya mencionada automatización, tal es el caso del presente proyecto el representa una innovación en nuestra región en la elaboración de etanol en la azucarera Pomalca, la incorporación de un sistema automatizado que tendrá la función de monitorear el funcionamiento-fallas o anomalías del proceso.

Así como las industrias con menor productividad tienden a poner operadores la cual el error de un operador durante el proceso es mayor; en el caso de verificar niveles, garantizar la continuidad operativa de los equipos por ello hace que el producto no cumpla con los requisitos adecuados.

a. OBJETIVOS

Determinar un software que ayude como supervisión y control en el proceso.

Implementar una maqueta de simulación a escala y representar lo más real posible.

Uso de las comunicaciones seriales.

b. JUSTIFICACION E IMPORTANCIA

Con este sistema de monitoreo de un proceso industrial es de mucha importancia tener el monitoreo constante de un proceso, ya que nos garantiza las condiciones de seguridad industrial para el resguardo del personal laboral (sistema de alarma) además hace que sea más eficiente y un bajo índice porcentaje de error. El sistema SCADA nos reduce el trabajo de un operador y mayor facilidad de control, la relación entre hombre-máquina, teniendo como ventajas principales, la oportunidad de maximizar la productividad.

c. TIPO DE INVESTIGACION



PROYECTO DE INVESTIGACION APLICADA

d. DESCRIPCION (BREVE RESUMEN DE PROYECTO)

El presente trabajo consiste en la elaboración de una propuesta de diseño de un sistema de control supervisorio y adquisición de datos (SCADA), para el monitoreo del proceso de sacarización para la elaboración de etanol. Se hará uso de los sistemas de comunicación serial para conectarse con el proceso.Así como en el siguiente grafico nos resume a un sistema SCADA representado mediante bloques.La simulación del proyecto lo haremos utilizando el software LABVIEW en el cual nos basaremos para luego hacer la implementación física.

3.-MARCO TEÓRICODISEÑO DE UN SISTEMA SCADA PARA LA MONITORIZACION DEL PROCESO DE SACARIZACIÓN



ETANOL

En la actualidad y las recurrentes crisis en los precios y el agotamiento de los combustibles fósiles como el petróleo, el cual es clave en el desarrollo de la vida de la sociedad, hace necesaria la investigación, fomento y uso de nuevos combustibles. Uno de estos combustibles es el etanol producido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, el que debidamente procesado poco a poco comienza a postularse como combustible en el mercado internacional.

¿QUE ES ETANOL?

El etanol o alcohol etílico es el producto químico orgánico sintético más antiguo usado por el hombre, se presenta como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 °C, su fórmula química es , siendo el componente activo esencial de las bebidas alcohólicas, además es una de las materias primas importantes para las síntesis. Puede obtenerse a través de dos procesos de elaboración: la fermentación o descomposición de las azúcares contenidas en distintas frutas, y la destilación, la cual consiste en la depuración de las bebidas fermentadas.

EL ETANOL COMO COMBUSTIBLE LIMPIO

El etanol es un biocombustible de fuente renovable, reduce considerablemente las emisiones de dióxido de carbono (CO2); esto debido a que el etanol es una sustancia de bajos pesos moleculares con enlaces sencillos carbón-carbón, en comparación con la gasolina y el diesel, los cuales son mezclas complejas de hidrocarburos con altos pesos moleculares y fuertes enlaces carbón-carbón.

Las emisiones de monóxido de carbono son menores en el caso del etanol, ya que este producto es reducido por mezclas aire-combustible, con un contenido bajo de este último y exceso de aire. La combustión de etanol genera menor cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx) que la gasolina y el diesel, debido a que su elevado calor



latente de vaporización proporciona un mayor enfriamiento del motor y una temperatura de flama más baja; teniendo en cuenta el riesgo inminente que implica el calentamiento, el gran desafío de conservación del medio ambiente, es reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, principalmente el CO2 que no sólo a diferencia de otros componentes de gases de escape tóxicos, este no puede ser reducido por efecto catalítico; las únicas alternativas para reducir las emisiones de este gas, son el uso de combustibles más limpio y la mejora de la eficiencia de los vehículos introduciendo tecnologías de punta y reduciendo así el consumo de combustible (Briceño y Calero, 2004).

EL ETANOL Y SU RELACION CON EL MEDIO AMBIENTE

El uso del etanol carburante reduce las emisiones del dióxido de carbono emitido por la flota vehicular. Con esto, se espera un impacto positivo sobre el medioambiente, y en consecuencia en la salud de las personas que habitan las ciudades. Los efectos positivos sobre el medio ambiente se debe a que el etanol carburante:

Es un compuesto biodegradable.

Su combustión produce un efecto oxigenante.

Reduce la emisión de gases tóxicos de los vehículos tradicionales.

Reduce el efecto invernadero.

VARIABLES PRESENTES EN EL PROCESO DE ELABORACION

TEMPERATURA

La temperatura afecta de manera notable en el crecimiento microbiano, debido a que los microorganismos tienen un rango restringido de temperatura para su crecimiento.

PHDISEÑO DE UN SISTEMA SCADA PARA LA MONITORIZACION DEL PROCESO DE SACARIZACIÓN



El pH tiene una gran influencia en los productos finales del metabolismo anaerobio, por lo tanto es importante tener un control sobre esta variable durante el desarrollo del proceso de fermentación puesto que los microorganismos poseen un pH óptimo en el cual tienen mayor velocidad de crecimiento y rendimiento

ACIDEZ DE SUSTRATO

El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentación debido a que las levaduras se ven afectadas por el ambiente en el cual se desarrollan es decir alcalino o acido. Las levaduras tienen rango óptimo de pH que va desde 3.5 hasta 5.5. En el proceso de fermentación, el pH tiende a disminuir debido a la producción de ácidos, formados al tomar los nitrógenos de los aminoácidos perdiendo su carácter anfótero. En los procesos industriales, se hace uso de soluciones tampón para mantener niveles óptimos de acidez.

CONCENTRACION DE AZUCARES

Las concentraciones altas de azúcares afectan los procesos de osmosis dentro de la membrana celular, el rango óptimo de concentración de azúcar es de 10 a 18%, puesto que a concentraciones de 22% las levaduras empiezan a tener problemas en su proceso de respiración celular.

MATERIA PRIMA

El etanol puede obtenerse a partir de cualquier azúcar ó polisacáridos. En general la materia prima puede clasificarse en tres grupos:

FUENTES DE ALTO CONTENIDO DE AZUCAR



La ventaja de utilizar este tipo de fuentes consiste en que no es necesario realizar tratamientos previos para obtener los azúcares fermentables, puesto que estos ya se encuentran presentes.

Como lo son azúcar de caña, remolacha, melazas y jugos de fruta. Son materias primas que poseen un alto contenido de azúcares simples y fermentables, como la glucosa, la fructosa, la galactosa y la sacarosa.

FUENTES CON ALTO CONTENIDO DE ALMIDON

Como por ejemplo el maíz, malta, cebada, avena trigo, arroz, sorgo

FUENTES RICAS EN CELULOSA

Como la madera, residuos de pasta y el papel. Las materias primas con alto contenido de celulosa son las fuentes más abundantes de biomasa a nivel global, y su uso ha tenido un creciente interés global; sin embargo, la compleja composición química de estas fuentes ha planteado retos tecnológicos que aún no han podido ser satisfactoriamente superados. La clasificación de las materias primas se ilustra en la Figura:



La melaza se obtiene como subproducto final de la elaboración del azúcar de caña en la figura de a continuación:

Posteriormente de la melaza se hacen una serie de procesos como: esterilización, dilución adición de nutrientes y la fermentación y destilación la cual como resultado tendremos el ETANOL.

ELABORACION DE ETANOL

En principio, la materia prima es molida en un molino harinero y mezclado con agua. Los hidratos de carbono contenidos en esta mezcla tienen que ser transformadas primero por enzimas de azúcar- a continuación las levaduras transforma el azúcar de la mezcla macerada en alcohol y la mezcla macerada empieza a fermentarse. Tras la finalización del proceso de fermentación, e alcohol es separado de la mezcla macerada por medio de destilación.

El bioetanol es destilado en un proceso de destilación de varias etapas y luego purificado y concentrado mediante un proceso de rectificación. El producto final es



alcohol con un grado de pureza aproximadamente 95%. Para poder utilizarlo como combustible en Europa se requiere, sin embargo, Bioetanol puro.

El proceso de producción de etanol se divide en 5 pasos:


Trituracion de las materias primas

Licuefaccion

Sacarificacion

Fermentacion

Destilacion


El procedimiento que se sigue para la elaboración de etanol es como sigue desde la licuefacción y sacarificación de las materias primas, la transformación de azúcar en etanol, hasta la destilación.

Durante la maceración, el almidón de las materias primas utilizadas se libera, haciéndolo accesible para que pueda ser transformado en glucosa. Para ello se calienta un colector de agua a 95–98°C.

Las materias primas trituradas son vertidas al agua caliente removiendo el agua constantemente. Mediante la añadidura de la enzima a-amilasa se posibilita la licuefacción de la masa de almidón. Este paso dura aprox. 0,5 h y debe efectuarse con un pH > 6,5. Para luego poder iniciar el proceso de sacarificación mediante la añadidura de la enzima glucoamilasa, se tiene que enfriar primero el contenido del recipiente a una temperatura de 55–60°C y modificar el pH a 4,5–5,5.

El proceso completo de licuefacción y sacarificación de la mezcla macerada dura alrededor de 2–3 h si se consideran los tiempos de descanso necesarios de aprox. 1/2 h cada uno.



Para la fermentación se enfría el sustrato a 28–32°C y se bombea al fermentador.

Tras la añadidura de levadura, la fermentación requiere un tiempo de 68–72 h. Durante este proceso se produce CO2, lo cual se puede observar muy bien en el cierre de fermentación del recipiente..

En la destilación se aprovechan las distintas volatilidades de los componentes a separar. Para poder separar los componentes, la mezcla líquida es calentada hasta que esté en ebullición. La fase de vapor que se produce consta principalmente de componentes ligeramente volátiles.

La fase de vapor es separada de la fase líquida y luego se condensa (el destilado). En la fase líquida permanecen principalmente los componentes difícilmente volátiles.

En el presente proyecto desarrollaremos el proceso de la licuefacción y sacarificación en el recipiente de maceración el cual diseñaremos un sistema de control de relación entre el jugo de azúcar y agua luego con la agregación de levadura para el proceso de fermentación este sistema de control tendremos como variable principal la medida de pH.

pH: El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del agua con compuestos químicos disueltos. Su expresión viene dada por el logaritmo de la inversa de la concentración del ion H, expresada en moles por litro:

Señalemos que el agua pura neutra _ ene una concentración de ion hidrógeno de 10 moles por litro. Luego, el pH será:

Una disolución ácida tiene mayor concentración de ion hidrógeno que el agua pura y, por lo tanto, su pH será menor de 7. Una disolución básica le ocurre a la inversa y su pH será mayor de 7. Las medidas prácticas del pH se encuentran entre los valores 0 a 14.

Para la medida de pH pueden utilizarse varios métodos, de entre los cuales los más exactos y versátiles de aplicación industrial son: el sistema de electrodo de vidrio y el de transistor (ISFET = Ion Sensitive Field Effect Transistor)



La variación de temperatura influye en la medida del pH. A pH constante alcanza los 0,2 milivoltios por grado centígrado. En la figura puede verse esta influencia. Como en el instrumento final de indicación, registro o control la medida se realizase unidades de pH en lugar de mV, es necesario compensar la influencia de las variaciones de temperatura de la solución de ensayo. Hay que señalar que el termo compensador, o sonda de resistencia, sólo compensa la relación tensión temperatura del electrodo de vidrio y que sólo asegura la medida del pH real de la solución a su temperatura real. No detecta las variaciones con la temperatura propias del pH de cada solución, que siguen una ley distinta de una solución a la otra y para las cuales habría que diseñar un compensador especial para cada una de ellas.



III. ASPECTO ADMINISTRATIVO a. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADESActividades primer mes segundo mes tercer mes

sem. 1 y 2 sem. 3 y 4 sem. 1 y 2 sem. 3 y 4 sem. 1 y 2

PRESENTACION DE PERFIL X

INVESTIGACION Y RECOPILACION DE INFORMACION

X

EVALUACION E INVESTIGACION DE PROCESOS CON SCADA

X X

AVANCES DE SIMULACION Y PRUEBAS EN SOFTWARE

X X

ESTABLECIMIENTO DEL SOFTWARE Y CONSTRUCCION DE MAQUETA

X X

EVALUACION DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS X X

PRESENTACION DE PROYECTO

X

b. PRESUPUESTO ESTIMADO :



DESCRIPCION PRECIO ESTIMADOSOFTWARE S/. 100EQUIPOS Y TARJETAS ELECTRONICAS

S/. 300

MAQUETA FISICA S/. 300PASAJES VARIOS S/. 80TOTAL PRECIO ESTIMADO S/. 780

c. FINANCIAMIENTO

El presente proyecto es financiado por los autores de la misma.


Proyecto Elaboracion de Etanol

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