Industria de combustibles

Producción de Bioetanol a partir de Biomasa

Desde 1930 (especialmente mientras la 2°Guerra Mundial) la mezcla de etanol a la gasolina fue utilizada como combustible para autos. Los biocombustibles representan una oportunidad para desarrollar nuevos mercados de exportación para los países que disponen de condiciones comerciales y arancelarias favorables.

El interés mundial por el desarrollo de los biocombustibles se empezó a incrementar hacia mediados de la presente década, en el marco de una preocupación más amplia para el desarrollo de fuentes nuevas y más limpias de energía, que permitan avanzar en la superación del paradigma energético actual, basado en los combustibles fósiles.

El etanol es un combustible que libera significativas cantidades de calor al quemarse. Sin embargo, el etanol presenta algunas diferencias importantes con relación a los combustibles convencionales derivados de petróleo. La principal es el elevado tenor de oxígeno, que constituye cerca del 35% en masa del etanol. 

Materias primas y tecnologías de producción de bioetanol

Mediante las rutas biológicas, el bioetanol se puede producir a base de cualquier biomasa que contenga cantidades significativas de almidones o azúcares. En la actualidad hay un ligero predominio de la producción relacionada con materiales amiláceos (un 53% del total), como el maíz, el trigo y otros cereales y granos. En esos casos, la tecnología de conversión comienza, generalmente, con la selección, la limpieza y la molienda del grano. La molienda puede ser húmeda, cuando el grano está embebido y fraccionado antes de la conversión del almidón en azúcar (vía húmeda), o seca, cuando eso se realiza durante el proceso de conversión (vía seca). En ambos casos, el almidón se convierte en azúcares mediante un proceso enzimático a altas temperaturas.

Cuando se considera la producción a base de azúcares, como en el caso de la caña y de la remolacha, el proceso es más sencillo e implica una etapa menos, ya que los azúcares están disponibles en la biomasa. En general, el proceso se basa en la extracción de los azúcares (por medio de la molienda o de la difusión), que pueden seguir directamente hacia la fermentación. Tras la fermentación, se destila el vino, así como en el caso de la producción basada en almidón.

Rutas tecnológicas para la producción de Bioetanol 

Materia Prima

Caña de azúcar: Es una planta semiperenne con ciclo fotosintético de tipo C4, perteneciente al género Saccharum, de la familia de las gramíneas, compuesta por especies de gramas altas perennes, oriundas de regiones templadas calientes a tropicales de Asia, específicamente de India. La parte aérea de la planta se compone, esencialmente, por los tallos, en los que se concentra la sacarosa, y por las puntas y hojas, que constituyen la paja de la caña de azúcar.

Biomasa: La biomasa lignocelulósica está compuesta por polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) y por la lignina, polímero complejo de grupos metoxi y fenilpropánicos, que mantiene a las células unidas. La fracción celulósica (40%-60% de la materia seca), un polímero lineal del dímero glucosa-glucosa (celobiosa), rígido y difícil de romper; su hidrólisis genera glucosa, un azúcar de seis carbonos, cuya fermentación con Saccharomyces cerevisiae ya es bien conocida.

Descripción proceso de producción de etanol por medio de la hidrólisis de la biomasa

• Preparación

La primera etapa del proceso consiste en el pretratamiento mecánico de la materia prima, que busca la limpieza y la “ruptura” del material, con el objetivo de causar la destrucción de su estructura celular o hacerla más accesible a los tratamientos químicos o biológicos posteriores.

• Hidrólisis Hemicelulosa

Consiste en la remoción de la lignina y en la hidrólisis de la hemicelulosa, que también puede ser denominada pretratamiento. Para esta etapa hay diversos tipos de procesos, con diferentes rendimientos y efectos distintos sobre la biomasa y consecuente impacto en las etapas que siguen.

• Hidrólisis Celulosa

La celulosa se convierte en glucosa. La hidrólisis ácida (tanto concentrada como diluida) ocurre en dos etapas, para aprovechar las diferencias entre la hemicelulosa y la celulosa. La primera implica, esencialmente, la hidrólisis de la hemicelulosa, conducida de acuerdo con las condiciones del pretratamiento discutidas con anterioridad. En la segunda etapa se aplican temperaturas más altas, buscando optimizar la hidrólisis de la fracción celulósica. El proceso con ácido diluido utiliza altas temperaturas y presiones, con tiempos de reacción de segundos a algunos minutos, lo que facilita el uso de procesos continuos. Por otra parte, los procesos con ácido concentrado se desarrollan en condiciones más amenas, pero con tiempos de reacción típicamente más largos.

• Proceso enzimático

En el proceso enzimático, la hidrólisis se cataliza por enzimas llamadas de modo genérico celulasas. En realidad, se trata de un complejo enzimático compuesto por endoglucanasas (que atacan a las cadenas de celulosa para producir polisacáridos de menor longitud), exoglucanasas (que atacan a las terminales no reductores de estas cadenas más cortas y retiran la celobiosa) y β-glucosidasas (que hidrolizan a la celobiosa y otros oligómeros a la glucosa). Como este proceso se desarrolla en condiciones amenas (pH 4,8 y temperatura entre 45° y 50° C), el costo de procesamiento de los insumos es relativamente bajo.

• Fermentación

El mosto sigue hacia los tanques de fermentación, donde se le agregan levaduras (hongos unicelulares de la especie Saccharomyces cerevisiae) y se fermenta durante un período de 8 a 12 horas, dando origen al vino (mosto fermentado, con una concentración del 7% al 10% de alcohol).

• Destilación

Durante la destilación, primero se recupera el bioetanol en forma hidratada, con aproximadamente 96° GL (porcentaje en volumen), correspondiente a cerca de 6% de agua en peso, dejando la vinaza o “vinhoto” como residuo, en una proporción media de 10 a 13 litros por litro de bioetanol hidratado producido. En ese proceso también se apartan otras fracciones líquidas, dando origen a los alcoholes de segunda y al aceite de fusel. El bioetanol hidratado se puede almacenar como producto final o bien, puede ser mandado a la columna de deshidratación.

Fuente: http://www.olade.org/sites/default/files/CIDA/Biocomustibles/CEPAL/bioetanol%20ca%C3%B1a%20de%20azucar.pdf

Videos (o animaciones) del Proceso

Ilustración del proceso Automatizado 

Otras informaciones relacionadas 

Link 1: http://www.unicauca.edu.co/ai/publicaciones/Estudiantes/Gomez_Hurtado.pdf

Link 2: http://www.bdigital.unal.edu.co/3539/4/oscarjuliansancheztoro.2008_Parte2.pdf

Link 3:                                                                                                  https://www.researchgate.net/publication/276092508_Produccion_de_Etanol_a_Partir_de_Biomasa_Lignocelulosica_Estimacion_Dinamica_de_Parametros_con_Enfoque_Simultaneo