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PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES: ETANOL. 1.- OBJETIVOS:  Conocer el proceso de producción de biocombustibles dando el mayor enfoque a la producción de bioetanol como combustible.  Conocer las materias primas (fuente biológica) provenientes y su importancia en el proceso fermentativo.  Conocer los microorganismos de interés en el proceso fermentativo para la producción de bioetanol.

2.- GENERALIDADES: PRODUCCIÓN DE BIOETANOL. 2.1.- INTRODUCCIÓN: El bioetanol, producto de fermentación alcohólica de diversos materiales orgánicos a través de la acción de microorganismos, está siendo de nuevo seriamente considerado luego de la elevación de los precios del petróleo. En la actualidad se trabaja fundamentalmente en la búsqueda de materias primas baratas, que sustituyan a las tradicionales materias azucaradas, para alcanzar mayor eficiencia en los procesos de fermentación, recuperación y purificación de alcohol producido. La producción de bioetanol perdió importancia a finales de la primera mitad del siglo XX, al ser sustituida por la producción de etanol por vía sintética, a partir de derivados del petróleo, que resulta más barata, pero no puede ser utilizado en la preparación de alimentos, bebidas alcohólicas, ni medicamentos. La elevación de los precios del petróleo hizo volver los ojos hacia la vía fermentativa de producción de etanol. 2.2.- PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES: BIOETANOL. 2.2.1.- MATERIAS PRIMAS Y SU IMPORTANCIA EN EL PROCESO FERMENTATIVO. Para la producción de etanol han sido utilizadas diferentes fuentes de carbono como materia prima; estas deben ser transformadas con facilidad en azúcar fermentable. Su uso práctico estará determinado por el rendimiento en etanol, por su costo y el tipo de microorganismo que se utilice. Varios autores, coinciden en definir 3 tipos de materias primas para la producción de etanol: a) Materiales portadores de azúcares simples que contienen carbohidratos como fuente de azucares (tales como jugo de caña de azúcar, melazas, sorgo dulce, etc.) b) Materiales amiláceos los cuales contienen almidón como fuente de azúcares (tales como la yuca, maíz, papa, etc.) c) Materiales celulósicos, que contienen celulosa, hemicelulosa (tales como el bagazo, la madera, residuos agrícolas, etc.) El etanol se produce por fermentación de estas materias primas con levaduras u otros microorganismos. Las de la primera clase fermentan directamente. El segundo tipo consta de hidratos de carbono complejos, como el almidón, que primero se deben convertir en azúcares fermentables mediante la acción de enzimas. Las sustancias celulósicas de la tercera clase se convierten en azúcares fermentables por hidrólisis con ácidos inorgánicos, principalmente.

Figura Nº 1: Diagrama de flujo para la producción de etanol a partir de diferentes fuentes.

2.2.2.- FUNDAMENTOS BIOQUÍMICOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA. La secuencia de reacciones entre la glucosa y el piruvato se conoce por el nombre de ruta de EmbdenMeyerhof, o también de Embden-Meyerhof-Parnas, en honor a sus descubridores. Los sustratos más comúnmente usados para la fermentación son los azúcares, en especial la D-glucosa. Una clase de fermentación importante de la glucosa es la fermentación alcohólica. Para muchas levaduras en un medio adecuado, la fermentación significa la conversión de hexosas, principalmente glucosa, fructosa, manosa y galactosa, en ausencia de aire, en los siguientes productos finales: Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O Alrededor del 70 % de la energía es liberada como calor; el resto es preservado en dos enlaces fosfatos terminales de ATP (trifosfato de Adenosina), para usarlo en las reacciones de transferencia, tales como la activación de la glucosa (fosforilación) y de aminoácidos antes de las polimerización. 2.2.3.- PRINCIPALES PRODUCTOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA. •Alcoholes: etanol, metanol, alcoholes alifáticos con más de 2 átomos de C, y alcoholes superiores (isobutanol, alcohol isoamílico, amílico, llamados genéricamente aceite de fusel). •Aldehídos: primordialmente acetaldehído. . Ésteres: acetato de isobutilo y acetato de isoamilo. •Ácidos orgánicos: Ácidos volátiles: fórmico, acético, propiónico, butírico y láctico y trazas de otros ácidos grasos. Ácidos tartárico y málico. •Dióxido de Carbono.

SUBPRODUCTOS DE LA OBTENCIÓN DEL BIOETANOL Los subproductos generados en la producción de bioetanol, as como el volumen de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se pueden agrupar en dos tipos: Materiales lignocelulosicos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización energética en cogeneración, especialmente para cubrir las necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender el excedente a la red eléctrica (con precio primado). Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilería de maíz desecados con solubles (DDGS), que son los restos energéticos de la planta después de la fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado de piensos animales por su riqueza en proteína y valor energético. La caña de azúcar es la planta más aprovechable por el bagazo generado para su combustión y generación energética. La remolacha azucarera genera, por su parte, unas 0.75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido. La producción de bioetanol a partir de trigo o maíz genera en torno a 1.2 ton de DDGS por tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofías alimenticias en cuanto al empleo del DDGS. Cuando el pienso esta en el 15 % o menos de la dieta, el DDGS sirve como una fuente de proteína suplementaria. Cuando el pienso esta en los niveles mas altos (superior al 15 % de la dieta de la materia seca) su papel primario es como fuente de energía. El DDGS esta compuesto de grasa {en un 10-15 %{, de fibra neutra detergente {en un 40-55 %{, de proteína de crudo (CP) {en un 30-35 %{ y de ceniza en un 5 %. 2.2.4.- SUBPRODUCTOS DE LA OBTENCIÓN DEL BIOETANOL. Los subproductos generados en la producción de bioetanol, así como el volumen de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se pueden agrupar en dos tipos:  Materiales lignocelulósicos: Tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización energética en cogeneración, especialmente para cubrir las necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender el excedente a la red eléctrica.  Materiales alimenticios: Pulpa y granos de destilería de maíz desecados, que son los restos energéticos de la planta después de la fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado de piensos animales por su riqueza en proteína y valor energético.

2.2.5.- MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA. Las levaduras son los microorganismos más utilizados para la producción de etanol por la vía fermentativa, debido a su alta productividad en la conversión de azúcares a bioetanol y a que se separan mejor después de la fermentación. Además, la producción de toxinas es muy inferior a la de otros microorganismos. Entre las especies más utilizadas están: Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoideus, S. anamensisi, Candida seudotropicalis, S. carlsbergensis, Kluyveromyces marxianus, Candida bytyrii, Pichia stipatis, Schizosaccharomyces pombe y Pichia membranaefaciens. El etanol se produce por vía fermentativa siendo posible emplear diferentes microorganismos en el proceso, entre los cuales se destacan la levadura S. cereviseae y la bacteria Z. mobilis.

LEVADURAS: • Grupo de hongos Ascomicetes (unicelulares) orden Endomicetales. • Colonias muy parecidas a bacterias macroscópicamente pero más cremosas y de colores; blancos, beiges o un poco más oscuros. Algunas son rosadas o rojas porque tienen carotenoides. • manipulación y siembra muy similar a las bacterias. • Pared: quitinosa delgada. • Núcleo muy cercano a la zona de gemación. A más vieja es la célula, mayor es la vacuola. • Dimensiones: ancho 2’5 – 10 um y largo 4’5-21 um. Saccharomyces cerevisiae.

Saccharomyces cerevisiae: 10X, 40X.

Reproducción gemativa. • • •

hongos unicelulares. La reproducción asexual normalmente por gemación. población en crecimiento de levaduras presenta yemas, producidas cuando la célula se divide.

Principales levaduras:

Principales levaduras:

CONDICIONES AMBIENTALES: • Temperatura: La mayoría son mesófilas, T máx. crecimiento 24 y 48ºC. Pocas (2%) son psicrófilas T máx. crecimiento de crecimiento por debajo de 24ºC. No hay levaduras que puedan crecer a 50ºC. Kluyveromyces marxianus crece a 48ºC, otras de molinos azucareros son capaces de proliferar sobre los 40ºC, ejm: Pichia polymorpha, Geotrichum capitatum, Saccharomyces cerevisiae y especies de Candida y Debaryomyces. Pocas desarrollan cerca de 0ºC, ejm: Yarrowia lipolytica, Debaryomyces hansenii y Pichia membranaefaciens. • PH: La mayoría toleran pH 3 a 10, Prefieren ligeramente ácido pH de 4,5 a 6,5. Issatchenkia orientalis, P. membranaefaciens, Dekkera intermedia y Saccharomyces exiguus pueden crecer a 1.3-1,7. Las levaduras basidiomicéticas Rhodotorula y Crytococcus son especialmente tolerantes a los medios alcalinos, Saccharomycodes, Schizosaccharomyces y Dekkera no crecen a pH mayor que 8. Son inactivadas a presiones 7 a20 MPa. • ASILAMIENTO Y CONSERVACIÓN: Aislamiento en agar saboraud dextrosa. Para determinar el género se observan caracteristicas morfológicas y sexuales Para determinar especie deben hacerse pruebas bioquímicas y fisiológicas. Probando la capacidad para fermentar diversos azucares. Conservación. Se pueden conservar por: Subcultivo (resiembra) en medio Yeast morphology o yeast nitrogen base (DIFCO). Refrigeración: levadura fresca Liofilización: con perdida de viabilidad de 1%/año, y baja modificación de características Congelación: en presencia de crioprotectores (glicerol) 5-20%. La velocidad de congelación debe ser 10ºC/min

Medio de cultivo Sabouraud Glucosado Agar Medio utilizado para el aislamiento, identificación y conservación de hongos patógenos y saprófitos. También es útil para el cultivo de levaduras. Fundamento Medio de cultivo recomendado para el aislamiento y desarrollo de hongos, particularmente los asociados con infecciones cutáneas (piel, pelo, etc.). En el medio de cultivo, la pluripeptona y la glucosa, son los nutrientes para el desarrollo de microorganismos. El alto contenido de glucosa, la presencia de cloranfenicol y el pH ácido, favorecen el crecimiento de hongos por sobre el de bacterias. Además, al medio de cultivo, pueden agregarse otros agentes selectivos de crecimiento.

Fórmula (en gramos por litro) Pluripeptona 10.0 Glucosa 40.0 Cloranfenicol 0.05 Agar 15.0

Instrucciones Suspender 65 g del polvo por litro de agua destilada. Reposar 5 minutos y mezclar hasta uniformar. Calentar agitando frecuentemente y hervir 1 minuto hasta disolver. Distribuir y esterilizar 15 minutos a 118-121°C. Mantener en lugar fresco, pues la exposición al calor hidroliza los componentes. Distribuir en placas o en tubos con cierre hermético

pH final: 5.6 ± 0.2

Siembra Depende del uso, puede ser tanto en tubo como en placa. Consultar referencias de métodos recomendados. Incubación El tiempo de incubación dependerá del microorganismo que se esté buscando aislar. Resultados Microorganismos Saccharomyces cerevisiae Aspergillus niger Candida albicans ATCC 10231

Crecimiento Bueno Bueno Bueno

Características del medio Medio preparado: ámbar claro, ligeramente opalescente sin ningún precipitado. Almacenamiento Medio deshidratado: a 10-35 ºC. Medio preparado: a 2-8 ºC.

x 100g :Código: B02-150-05

Presentación x 500g :Código: B02-150-06

6x50ml: B04-150-84

Zymomonas móbilis: Zymomonas mobilis es una bacteria Gram-negativa, anaerobia facultativa que lleva a cabo el metabolismo de la glucosa mediante la ruta de Entner-Doudoroff. Su metabolismo es muy especializado y aporta la ventaja de que el 98% de la glucosa metabolizada se convierte en etanol y CO2 equimolarmente y sólo el 2% de la glucosa se va a biomasa, de ahí que se obtenga 1 mol de ATP por mol de glucosa fermentada. La desventaja más importante de Zymomonas mobilis es la limitada variedad de fuentes de carbono que puede metabolizar (glucosa, fructosa y sacarosa). PRESENTAN LA SIGUIENTES CARACTERISTICAS:

 Tiene capacidad de producción de bioetanol.  Originalmente fue aislado de las bebidas alcohólicas, de palma africana, el mexicano pulque, y como un contaminante de la sidra y la cerveza en Europa.  Z. mobilis degrada azúcares a piruvato utilizando la vía de Entner-Doudoroff. PRINCIPALES VENTAJAS:  

Mayor absorción de azúcar y rendimiento de etanol (hasta 2,5 veces más alta). Producción de biomasa inferior.

  

Mayor tolerancia al etanol de hasta 16% (v / v). No requiere la adición controlada de oxígeno durante la fermentación. Susceptibilidad a las manipulaciones genéticas.

Comparación con Saccharomyces cerevisiae en la producción de etanol: Ventajas. Tolera altas concentraciones de alcohol (127 g/L) y glucosa (300g/L). Posee una alta tasa específica de crecimiento (para Zymomonas mobilis de 10 a 13 h-1y para Saccharomyces cerevisiae de 5 a 6 h1 ). Alta productividad. 80 g/L de glucosa son metabolizados por Zymomonas mobilis produciendo una concentración final de 39 g/L de etanol en 9 horas, mientras que Saccharomyces cerevisiae produce 36 g/L de etanol en 11 horas, lo que corresponde a una productividad de 4.3 g/Lh y 3.3 g/Lh respectivamente. Produce alto rendimiento de etanol 0.48 g etanol/g glucosa. Baja producción de biomasa. Por ser un procariote puede ser fácilmente manipulada genéticamente. No requiere control ni adición de oxígeno durante la fermentación. Su membrana plasmática contiene hopanoides, compuestos pentacíclicos similares a los esteroles eucarióticos (permite una adaptación de la membrana a los cambios de temperatura y a concentraciones de etanol de hasta el 10% durante la fermentación). Lleva a cabo la síntesis metabólica de hopanoides que le proporcionan la gran capacidad de crecer y sobrevivir en presencia de etanol . Su necesidad nutricional es simple. Otras ventajas que presenta para llevar a cabo el proceso, destacándose entre otras por:  Alta velocidad especifica de consumo de sustrato y de producción de etanol. Rendimientos de etanol cercanos a los máximos teóricos con relativamente baja formación de biomasa.  Alta tolerancia al etanol hasta del 16% v/v. La facilidad con la que se puede manipular genéticamente.  La bacteria Zymomonas mobilis realiza la degradación de azúcares a piruvato mediante la ruta de Entner-Doudoroff, esta es una vía más simple que la ruta Embden- Meyerhof y permite una mayor tasa de producción de etanol.  Mayor velocidad especifica de consumo de sustrato y de producción de etanol (Velocidad especifica 2-3 veces mayor que las levaduras).  Alto rendimiento para el etanol y bajo para la biomasa comparado con las levaduras, debido a las diferencias en el metabolismo del carbono (Entner-Doudoroff Vs Glucolisis).  Condiciones simples de crecimiento, pues Zymomonas mobilis es anaerobia (pero no es estricta) y no requiere la adición controlada de oxigeno con el fin de mantener la viabilidad celular a altas concentraciones de etanol, como si pasa con las levaduras.  Tolerancia al etanol comparable o mayor que las levaduras. Se han reportado concentraciones de etanol de 85g/l (11% v/v) para cultivo en continuo y de hasta 127g/l (16% v/v) en cultivo Batch. Estudios a escala de laboratorio con Zymomonas mobilis durante muchos años no han revelado problemas significativos de contaminación o problemas ocasionados por infección de bacteriófagos.  El amplio rango de técnicas de ingeniería genética desarrollados para las bacterias pueden ser utilizadas en Zymomonas mobilis con el fin de generar cepas recombinantes.  La secuencia completa del genoma de Zymomonas mobilis ZM4 provee nueva información para emplear la ingeniería metabólica con el fin de desarrollar productos adicionales de alto valor agregado.  Uso potencial de las enzimas de Zymomonas mobilis en biotransformación química.

PRINCIPALES DESVENTAJAS:  A pesar de estas ventajas, varios factores impiden el uso comercial de Z.mobilis en producción de etanol.  El obstáculo más importante es que su gama de sustrato se limita a la glucosa, fructosa y sacarosa.  De tipo salvaje Z.mobilis no pueden fermentar azúcares C5 como xilosa y arabinosa que son componentes importantes de hidrolizados lignocelulósicos.  A diferencia de E.coli y levadura, Z.mobilis no pueden tolerar los inhibidores tóxicos presentes en los hidrolizados lignocelulósicos tales como ácido acético y varios compuestos fenólicos.  La concentración de ácido acético en hidrolizados lignocelulósicos puede ser tan alta como 1,5% (w / v), que es muy por encima del umbral de tolerancia de Z .mobilis.  Varios intentos se han hecho para diseñar Z.mobilis para superar sus deficiencias inherentes.  Cepas resistentes al ácido acético de Z.mobilis se han desarrollado por ingeniería metabólica, técnicas de mutagénesis o mutación adaptativa.  Sin embargo, cuando estas cepas de ingeniería metabolizan azúcares mixtos en presencia de inhibidores, el rendimiento y la productividad son mucho más bajos, evitando de este modo su aplicación industrial.  Una característica interesante de Z.mobilis es que su membrana plasmática contiene hopanoides, compuestos pentacíclicos similares a eucariotas esteroles. Esto le permite tener una extraordinaria tolerancia al etanol en el medio ambiente, alrededor del 13%. Comparación con Saccharomyces cerevisiae en la producción de etanol: Desventajas. La bacteria Zymomonas mobilis es considerada una gran productora de etanol pero tiene las desventajas siguientes: Sólo cataboliza glucosa, fructosa y sacarosa. Es inhábil para convertir el almidón de manera directa a azúcares simples. No puede catabolizar manosa, galactosa, maltosa, lactosa, rafinosa, arabinosa, dextrina y manitol. Lleva a cabo el catabolismo de los carbohidratos mediante la ruta de EntnerDoudoroff, esto ocasiona que haya un rendimiento de ATP de 1 mol por mol de glucosa fermentada, lo que hace que requiera de un flujo de carbono rápido, lo que la convierte en no apropiada para la formación de biomasa. Los sustratos que puede catabolizar (glucosa, fructosa y sacarosa) son costosos.

CONCLUSIONES: La utilización de Z. mobilis es la producción a gran escala de etanol. Esto debido a que su rendimiento de conversión es mayor que el de la levadura y a que puede producirlo a una velocidad significativamente más elevada, además, esta bacteria no necesita oxígeno y presenta en general una mejor tolerancia al etanol que la levadura. Como desventajas podríamos apuntar que la cepa necesita de un pH de cultivo más elevado que el de las levaduras, y esto generaría un

mayor peligro de contaminación, además, sólo metaboliza un espectro muy reducido de sustratos: glucosa, fructosa y sacarosa. En el futuro todos estos problemas podrán ser salvados gracias al aporte de la Ingeniería Genética y la Biotecnología.

2.2.5.2.- Características principales de los cultivos microbianos utilizados en la fermentación alcohólica. Diferentes investigadores han realizado evaluaciones de cepas alcoholeras de levadura atendiendo a varios aspectos tales como:  Tolerancia al etanol,  Tolerancia a las altas temperaturas,  Tolerancia a altas concentraciones de azúcar,  Rendimiento alcohólico,  Eficiencia en la fermentación y productividad. Tolerancia al alcohol: La tolerancia al etanol es un elemento importante en la selección de una cepa de levadura, pues de su capacidad de mantenerse activa en condiciones crecientes de concentración alcohólica en el medio dependerá el rendimiento del proceso. Tolerancia a la alta temperatura: Muchas levaduras son sensibles a la temperatura; si ésta se eleva, la productividad puede disminuir; los sistemas de enfriamiento son caros, por lo que hay una razón económica para desarrollar cepas termotolerantes, que trabajen a temperaturas por encima de 40ºC sin pérdidas en la eficiencia, y que a la vez mantengan la estabilidad genética. Tolerancia a la alta concentración de azúcares: Trabajar con altas concentraciones de azúcares produce mayor eficiencia y productividad del proceso fermentativo. Se reporta que la cepa T-17 de levadura S. cerevisiae, aislada del jugo de caña, posee alta tolerancia a la concentración de azúcares y a la temperatura, con elevada producción de bioetanol. Se han realizado experiencias con cepas osmofílicas de S. cerevisiae, en la fermentación del mosto a 26 ºBx y se han alcanzado concentraciones de alcohol del orden de 11,4 % v/v.  PH: 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. 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. 2.2.5.3.- Otros tipos de microorganismos utilizados en la producción de bioetanol.  Uso de cultivos mixtos: Otros tipos de microorganismos que se utilizan en estos procesos son las bacterias y algunos hongos como Mucor racemosus y del género Rhizopus. Con relación al empleo de cultivos mixtos en la fermentación alcohólica la Universidad Rafael Landívar de Guatemala reportan algunos trabajos con levaduras. Con cultivos formados por dos levaduras: S. cerevisiae - S. carlsbergensis, en proporción 4:1 en el orden mencionado, se favoreció el incremento en la producción de alcohol, como resultado de la fermentación completa de la rafinosa por la segunda. 2.2.6.- PROCESOS TECNOLÓGICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL. El proceso para la producción de etanol por vía fermentativa tiene dos etapas fundamentales: la fermentación y la destilación. Pero las siguientes fases en el proceso son: Dilución: Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol.

Conversión: La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida. Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol. La fermentación es la etapa principal del proceso, no solo porque en ella se produce el etanol, sino porque se reproduce la masa fundamental de levadura y además por formarse aquí los productos secundarios. En la etapa fermentativa se emplean diferentes tipos de nutrientes. Los más utilizados en Cuba son urea y sulfato de amonio como suministradores de nitrógeno; como aportador de fósforo se emplea el fosfato dibásico o simplemente fosfato de amonio. Destilación o Deshidratación: La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua). 2.2.7.- SISTEMAS TECNOLÓGICOS A TEMPLA UTILIZADOS EN LA ACTUALIDAD PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL. El bioetanol se produce mayoritariamente en procesos discontinuos. Los fundamentales son: • Sistema Jackemine: sin recirculación celular, tiempos de fermentación relativamente largos y baja productividad, comparada con la del Melle –Boinot. • Sistema Melle- Boinot: recircula la levadura, limita el crecimiento celular y maximiza la producción de alcohol, a la vez que logra disminuir sensiblemente los tiempos de fermentación debido a la alta densidad celular en el fermentador. Se caracteriza por su elevada productividad, 20-25 veces más que el sistema Jackemine. 2.2.7.1.- PROCESO CONTÍNUO DE FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA. Un proceso continuo debe garantizar que los reactivos estén suficiente tiempo en contacto para que la reacción ocurra en la extensión que se desea. A este tiempo ζ se le llama tiempo de residencia y es igual al volumen del reactor sobre el flujo volumétrico. En los procesos microbiológicos aeróbicos se prefiere el uso de reactores de mezcla completa.



PROCESO BIOSTIL ALFA-LAVAL:

El proceso Biostil Alfa-Laval, es un sistema continuo de producción de etanol donde hay recirculación de vinazas a la etapa de fermentación. Mostos o vinazas de destilería: El mosto se obtiene como residuo de la destilación de la batición fermentada. El mosto o vinaza de destilería, que se considera un desecho, puede ser utilizado como una de las alternativas para las mezclas de sustratos en la fermentación alcohólica, con un conjunto de beneficios al proceso de fermentación, entre los cuales se puede citar: Fermentaciones más rápidas debido al retorno de los nutrientes, principalmente compuestos nitrogenados y sales minerales. Mayor acidez en los fermentadores, por tanto, fermentación más sana. Recirculación de azúcares eventualmente no fermentables y de levaduras muertas que van a servir como nutrientes.

1.1

MERCADO DEL ETANOL

1.1.1 ¿Por que se desarrollo un mercado de etanol? La década de los 90 fue la mas cálida desde que se tienen registros. El siglo pasado, la Tierra se calentó 0.6 C pero, según el Panel Internacional sobre Cambio Climático (PICC), las temperaturas aumentaran todavía mas: de entre 1.4 C y 5.8 C para el año 2100. Ello se deber a en gran parte a las crecientes emisiones de gases, en especial el dióxido de carbono generado por petróleo, que producen el efecto invernadero. Por ello, se ha invertido en distintas alternativas a traves de los biocombustibles y en especial etanol, que representa el 90 % de ellos y es producido principal-mente en Brasil. Existen distintas razones por las cuales se debe desarrollar el bioetanol como combustible: Energía: sustituir combustibles basados en petróleo para aumentar la seguridad energética, disminuir la dependencia frente a la volatilidad de los precios de petróleo, bajar los costos de combustibles o de las importaciones, disminuir la dependencia de países políticamente inestables. Medio Ambiente: disminuir daños ambientales relacionados con la cadena del petróleo, como por ejemplo los derrames de petróleo, además de reducir la contaminación. Es importante mencionar que el etanol contamina un 60 % menos que la gasolina, una cifra que algunos expertos consideran que podría ser todavía mayor. Desarrollo Rural y Agrícola: apoyar a la agricultura nacional, mejorar las situaciones económicas de las aéreas rurales y de los ingresos de los agricultores. El etanol también utilizado por aprovechando sus propiedades desinfectantes, sin embargo, el principal mercado a futuro se encuentra enfocado en su aplicación como combustible debido a las grandes ventajas que ofrece en esta rama.

2.2.8.- USOS Y APLICACIONES DEL ETANOL COMO BIOCOMBUSTIBLE. Como biocombustible el etanol es más puro que el empleado para los otros fines. Por ejemplo, mientras que la pureza del etanol o alcohol etílico para la medicina y las bebidas alcohólicas es de 96% la del biocombustible debe ser del 99.5% al 99.9%. Puede ser empleado directamente como combustible o como un añadido a la gasolina en distintas concentraciones. La mezcla más común es para oxigenar a la gasolina, en una concentración de alrededor de 5%, remplazando a un oxigenante llamado éter metil tert-butílico (MTBE), que es altamente contaminante del suelo y del agua subterránea. También se usa en otras concentraciones que van del 10% al 85% del volumen total de la gasolina, pero en esos casos los vehículos deben contar con modificaciones especiales (vehículos Flex Fuel), debido a que el etanol puede corroer algunas partes plásticas de los sistemas de inyección en el vehículo.

APLICACIONES DEL BIOETANOL E5: El biocombustible E5 significa una mezcla del 5 % de bioetanol y el 95 % de gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla máxima autorizada en la actualidad por la regulación europea, sin embargo, es previsible una modificación de la normativa europea que aumentar este limite al 10 % (E10) ya que diferentes estudios constatan que los vehículos actuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10 % de bioetanol y los beneficios para el medioambiente son significativos. E10: El biocombustible E10 significa una mezcla del 10 % de bioetanol y el 90 % de gasolina normal. Esta mezcla es la mas utilizada en EEUU ya que hasta esta proporción de mezcla los motores de los vehículos no requieren ninguna modificación y e incluso produce la elevaciones un octano en la gasolina mejorando su resultado y obteniendo una notable reducción en la emisión de gases contaminantes.

E85: Mezcla de 85 % de bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehículos con motores especiales. En EE.UU. las marcas mas conocidas ofrecen vehículos adaptados a estas mezclas. También se comercializan, en algunos países (EE.UU., Brasil, Suecia) los llamados vehículos FFV o Vehículos de Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una variedad de mezclas. Los \Fuel Flexible Vehicules" (FFV) son vehículos de turismo que pueden utilizar como combustible tanto gasolina convencional derivada del petróleo como bioetanol en mezclas de hasta un 85 % (E85). Por tanto, son vehículos totalmente polivalentes, que ofrecen la posibilidad de utilizar energía renovable en su máximo estado de mezcla sin la necesidad de consumir más energía. Debido al respaldo de los gobiernos e instituciones hacia el desarrollo de las energías renovables aplicadas en el sector de la automoción, cada vez son más los fabricantes que investigan y desarrollan vehículos de este tipo. E95 y E100: Mezclas hasta el 95 % y 100 % de bioetanol son utilizados en algunos países como Brasil con motores especiales. E-DIESEL: El bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivo solvente y produciendo un biocombustible diesel el E-Diesel, con muy buenas características en cuanto a combustión y reducción de contaminación ofreciendo as otras alternativas al bioetanol en el campo de los vehículos diesel. El E-Diesel ya se comercializa con éxito en EEUU y Brasil y pronto hará su aparición en España y Europa. ETBE: No se comercializa como un biocombustible, sino que se utiliza como un aditivo de la gasolina. El ETBE (etil-terbutileter) se obtiene por síntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación del petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y mas miscible con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la gasolina en proporciones del 10-15 %. La adición de ETBE o etanol sirve para aumentar el índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo. VENTAJAS EN EL USO DE BIOETANOL o

Generar etanol a partir de productos agrícolas presenta varias ventajas:

o

Es una fuente de combustible renovable.

o

Reduce dependencia del petróleo del extranjero.

o

Es una fuente mas limpia de combustible.

o

Aumenta el octano del combustible con un coste pequeño.

o

Virtualmente utilizable en todos los vehículos.

o

Fácil de producir y almacenar.

o Los biocarburantes emiten un 40-80 % menos de gases invernaderos que los combustibles fósiles. o

El bioetanol es superior medioambientalmente al resto de los carburantes más importantes.

o

Reduce la formación de la lluvia acida.

o

Mejora la calidad del aire en zonas urbanas.

o

No contamina el agua.

o

Con su produccion puede reducirse los residuos.

o

En mezcla con gasolina, aumenta el numero de octanos y promueve una mejor combustion.

o Reduce las emisiones contaminantes como monoxido de carbono (CO) e hidrocarburos, con un bajo costo. Se estima que la reduccion es de 40 a 80 % menos de gases invernadero que los combustibles fosiles. o Es virtualmente utilizable en todos los veh culos con motor a gasolina. INCONVENIENTES EN EL USO DE BIOETANOL  Para poder utilizar el bioetanol como combustible puro (E100) se necesita llevar a cabo varias modicaciones dentro del motor, y as no alterar signica tivamente el consumo. Estas son: 

Aumentar la relación de compresión.



Variar la mezcla de combustible / aire.Buj as resistentes a mayores temperaturas y presiones.



Conductos resistentes al ataque de alcoholes.



Se debe agregar un mecanismo que facilite el arranque en frio

3.- PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE LA CAÑA DE AZUCAR. 3.1.- PROCESO DE PRODUCCIÓN: La caña de azúcar, fuente de azúcares por medio de la cual se produce Etanol. Los azúcares presentes en la caña de azúcar poseen fórmula química C12H22O11, llamada sacarosa, que es un disacárido de glucosa y fructosa, ambas unidas por un enlace glucosídico. El proceso consta de una etapa de triturado y filtrado, donde se reduce la cristalinidad del material, para luego ser fermentados directamente para la obtención de etanol y su posterior destilación. Caldo de caña: El caldo, constituido de sólidos solubles y agua, aún sigue siendo el principal y más valorado componente de la caña de azúcar, en la medida que es el responsable de la producción directa de azúcar y de bioetanol. Bagazo de caña: El bagazo que es obtenido con la extracción del caldo se queda alrededor de 230 a 260 kg por tonelada de caña utilizada en el proceso, dependiendo de la variedad utilizada, y su composición media es del 46% de fibra, 50% de agua y 4% de sólidos disueltos. Paja de caña: En cada tonelada de caña, 140 kg es paja. La paja es un residuo formado por carbohidratos estructurales, donde hay de 70 a 80% de celulosa y hemicelulosa, considerando la materia en base seca, y de 10 a 15% de lignina. Cuanto mayor es el grado de madurez de la planta en el momento de la cosecha, más elevado es el contenido de lignina.

Figura Nº2: Esquema de producción de bioetanol a partir de la caña de azúcar.



Melazas:

Dentro de las materias azucaradas más favorables para la fermentación está la miel final de caña (melaza). También son usados el jarabe, es decir, jugo de caña concentrado a 60ºBrix y jugos de corrientes intermedias de la producción de azúcar. Un aspecto importante en la calidad de las mieles finales es su contenido microbiano. Entre la microflora encontrada en las mieles finales cubanas, se hallan el Bacillus subtilis, el Lactobacillus, que puede resistir temperaturas cercanas a 90 ºC y algunos micrococos, que resisten las operaciones fabriles, entre otros. Los hongos presentes en los jugos parecen no resistir las condiciones de fabricación, puesto que no aparecen en la microflora de las mieles finales cubanas. Algunas levaduras se han aislado de las mieles cubanas, tales como la S. pombe, Saccharomycodes rousii y C. tropicalis, entre otras. En resumen, se puede decir que la microflora de las mieles finales está formada principalmente por bacterias. RENDIMIENTOS: El rendimiento de caña por hectárea es de aproximadamente 70 toneladas de caña verde. Obtención de bioetanol directamente a partir del jugo de caña:  Producir bioetanol del jugo de caña incrementa la producción de bioetanol, pero reduce los subproductos, en especial la misma azúcar, de la que no se produce nada.  Para el caso de México se estima que una tonelada de caña con un porcentaje de sacarosa entre 13 y 14 % produce de 70 a 80 litros de bioetanol.  Aunque la producción de bioetanol directamente del jugo reduce la flexibilidad de la empresa para diversificar sus productos de acuerdo a las condiciones del mercado (vendiendo melazas, azúcar o bioetanol), también reduce el costo de inversión, ya que no se requiere todo el equipo de cocimiento de un ingenio azucarero.

3.2.- MICROORGANISMOS PRODUCTORES DE ETANOL: Los microorganismos más utilizados son las levaduras, siendo diversas cepas de Saccharomyces cerevisiae las de mayor aplicación así como algunas bacterias, destacándose la Zymomonas mobilis. Saccharomyces cerevisiae: La levadura Saccharomyces cerevisiae, es el organismo universal para la producción de bioetanol usando materias primas ricas en azúcar y almidón. Tiene una tolerancia a la concentración de etanol de 10% (v/v) es la concentración máxima que permite el crecimiento de la levadura mientras que 15% (v/v) es la máxima para el metabolismo fermentativo. En el caso de la temperatura la tasa de producción de etanol incrementa constantemente hasta 30°C y suavemente hasta 36°C, pero decrece a temperaturas por encima de 37°C. Zymomonas mobilis: Aunque no es usada comercialmente en la actualidad, esta bacteria facultativa gram negativa es considerada el organismo más efectivo para la producción de etanol, debido a que sus características bioquímicas la hacen un organismo obligadamente fermentativo. Por esta razón, esta bacteria produce etanol a mayores tasas y mucho más rápidamente que la levadura Saccharomyces cerevisiae. Esta bacteria degrada solo tres azúcares: D-glucosa, D-fructosa y sacarosa, por la vía de Entner Doudoroff (ED). Esta ruta metabólica emplea enzimas distintas a las utilizadas en la glucólisis o en la ruta de las pentosas fosfato. La diferencia principal entre las rutas EMP y ED la constituye la presencia de la enzima fosfofructoquinasa, enzima altamente reguladora de la glucólisis. La ausencia de esta enzima en la bacteria Zymomonas mobilis permite que la producción de etanol en este microorganismo esté desacoplada de la generación de energía, es decir, no se requiere crecimiento microbiano para la producción de etanol. La siguiente tabla resume algunos de los microorganismos utilizados y/o investigados para la producción de etanol a partir de diversos sustratos.

Tabla Nº 1: Microorganismos a partir de diferentes sustratos para la producción de etanol.

7.- CONCLUSIONES:  Se dio a conocer la producción de biocombustibles dando el mayor enfoque a la producción de bioetanol a partir de materias primas de origen biológico como beneficio para el uso como combustible, y dando beneficios en aspectos ambientales, sociales y económicos.  La principal etapa del proceso de producción de etanol es la fermentación donde es realizado por microorganismos, para lo cual sean de interés en la producción de bioetanol donde depende de la materia prima orgánica proveniente, por tanto se ha realizado experiencias para determinar: Como el género; basándose en características morfológicas y sexuales.

Especie; deben hacerse pruebas bioquímicas y fisiológicas. Probando la capacidad para fermentar diversos azucares.  La vía fermentativa de producción de etanol, es hoy competitiva porque es sostenible y se trabaja fundamentalmente en la búsqueda de materias primas baratas, que sustituyan a las tradicionales materias azucaradas, como melazas, productos intermedios de la producción de azúcar y jugos de frutas, a la vez que se busca una mayor eficiencia en los procesos de fermentación, recuperación y purificación del alcohol producido.

PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE “ETANOL” A PARTIR DEL MAÍZ. RESUMEN: El etanol es el alcohol producido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en los productos vegetales combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Dependiendo de su fuente de obtención, su producción implica fundamentalmente molienda, fermentación y destilación de las mismas. Se puede obtener a partir de 3 principales tipos de materias primas, como: Materia rica en sacarosa (la melaza de caña de azúcar y sorgo dulce), materia rica en almidón (cereales y tubérculos), materia rica en celulosa (madera y residuos agrícolas). En la actualidad se conocen tres procesos: Molienda en húmedo; donde se remueve la máxima cantidad de almidón del grano siendo este posteriormente fermentado. Molienda en seco; el grano limpio se muele para reducir el tamaño de las partículas y se fermenta. Molienda en seco modificada; se introduce mejoras al proceso para el aprovechamiento del germen y las fibras, que son separadas y el resto del grano se envía a la fermentación. Dando mayor valor agregado a los coproductos que la molienda en seco tradicional. En este trabajo se analizaran comparativamente los principales procesos para la obtención de etanol utilizando como materia prima maíz. Examinándose los beneficios y limitaciones de cada proceso considerando requerimiento de capital, capacidad de producción, rendimientos de etanol y coproductos, entre otros factores importantes. INTRODUCCION: La producción de etanol a partir de maíz ha sido refinada y actualizada en años recientes, ganando en eficacia. Esta se realiza por dos procesos convencionales de molienda en húmedo y en seco. Esta última, ha sido modificada con el objetivo de aumentar el valor y la calidad de los coproductos. Existen tres procesos de modificación de la molienda seca; Quick Germ (recupera el germen), Quick Germ and Quick Fiber (extrae el germen y la fibra) y la Enzymatic Milling (recupera el germen, la fibra del pericarpio y la fibra del endospermo). El beneficio de estos procesos es la eliminación de material no fermentable, incrementando la capacidad de producción de etanol. DESARROLLO: Se detallan los distintos procesos para la obtención de etanol. Molienda en húmedo: Recepción y limpieza: la materia prima se recibe y se analiza el contenido de humedad, presencia de mohos y apariencia general. Si cumple con los controles estándar de calidad se envía a un sistema de limpieza y posterior almacenamiento. Maceración del grano: el grano se remoja en tanques por 30- 50 horas a temperaturas de 49-54 ºC en agua que contiene del 0,1 al 0,2 % de dióxido de azufre, este ayuda a separar el almidón y la proteína soluble y permite prevenir el crecimiento de microorganismos no deseados manteniendo el pH cerca de 4. En el agua de remojo se disuelve un 6% de materia seca utilizable en la alimentación de ganados. Molienda gruesa: se muele el grano ablandado en un molino de fricción y se libera el germen sin fragmentarlo, el cual se separa del resto del grano con hidrociclon, se lava para quitarle el almidón adherido y se deseca para la posterior producción de aceite. Molienda fina: el material restante se muele con molinos de impacto. Con el objetivo de separar el almidón y las proteínas de la fibra. La fibra (salvado) se elimina por tamizado y se lava para quitar

el almidón adherido, se escurre (con presión) y se deseca para su utilización como alimento animal. Separación del gluten y almidón: la mezcla almidón-proteínas (gluten) se separa mediante centrifugas continuas. El gluten con un 60 -70% de proteína es centrifugado y secado. Este es utilizado como alimento animal. El almidón es purificado por recentrifugación para reducir el contenido de proteínas a menos de 0.3 %. Este puede ser enviado a la etapa de hidrólisis o secado y modificado químicamente para su venta.

Licuefacción: el almidón mezclado con agua de proceso y enzimas (alfa-amilasa), es calentado para permitir la licuefacción a 83 ºC. Posteriormente se agregan componentes químicos (nutrientes y regulación de pH) y se esteriliza a 110 ºC. Sacarificación: la solución es enfriada a 60 ºC tras el agregado de otra enzima (glucoamilasa) que convierte las moléculas de almidón en azucares simples. Fermentación: al mosto enfriado a 35 ºC se le adiciona levadura (Saccharomyces cerevisiae). Esta mezcla es fermentada por 2 días donde los azucares simples son convertidos en etanol y dióxido de carbono. Recuperación de la levadura: el producto de la fermentación se pasa a través de una centrifuga donde se separa la levadura del resto. Esta es concentrada y tratada con ácido para eliminar las bacterias con el objetivo de ser reutilizada. Destilación: el mosto, en una primer etapa, es concentrado hasta un 50-70%. Luego es enviado a una columna de purificación donde se separa por cabeza las impurezas (aldehídos y algunos esteres) y por la parte inferior un líquido residual que es conducido a la columna de rectificación. En esta se obtiene los aceites de fusel constituidos por ácidos y alcoholes superiores y el etanol azeotrópico. Almacenamiento: el alcohol se condensa y se envía a tanque de almacenamiento. En la figura Nº 1 se puede observar el diagrama de flujo del proceso, y en la tabla Nº 1 los principales productos obtenidos.

Figura Nº 1: Molienda en húmedo.

Tabla Nº 1: Principales productos de la molienda húmeda. Productos 1 Tn de Maíz Etanol 372,58 lt Gluten Feed 241,08 kg Gluten Meal 46,43 kg Aceite de maíz 26,79 kg Dióxido de 303,58 kg Carbono Coproductos derivados del sistema de producción. Los principales coproductos se describen a continuación: Germen: se obtiene en menor cantidad y es el coproducto más valioso. Se utiliza en la producción de aceite de maíz. El residuo de la extracción, al tener una proporción de aceite incluida, se utiliza como componente de alimentación animal adicionada al gluten feed o como harina de germen de maíz. Gluten Meal: (harina de gluten de maíz) es un producto de alto contenido proteico y energético. Consiste en un 60 % de proteínas y pequeñas cantidades de almidón y fibras no recuperadas en el proceso. Gluten Feed: (alimento de gluten) es un producto de proteína intermedio rico en fibra altamente digerible. Contiene aproximadamente 21% proteína, 2.5% grasa, 8% fibra, y en menor proporción vitaminas y aminoácidos. Puede adicionarse licor de remojo y harina de germen de maíz. Este producto se vende tanto húmedo como desecado. En el producto seco el salvado, los elementos extractivos del maíz y la harina de germen se mezclan, se secan, se muelen y se peletizan para facilitar el manejo. El alimento de gluten de maíz húmedo se prensa hasta un 35% de materia seca, antes de que se agregue el licor de remojo. Estos se utilizan para alimentación de ganado, aves, cerdos y mascotas. Licor de Remojo: se conoce también como elementos extractivos fermentados de maíz condensados. Este contiene disuelto un 6% de materia seca que se concentra hasta un 50%, para luego ser combinado con el alimento de gluten de maíz o vendido como aglutinante de pelets. Dióxido de Carbono: en la actualidad se captura solo un tercio de la producción. En general son las plantas de mayor capacidad de producción las que lo aprovechan comercialmente, ya que normalmente no se justifica en fábricas menores la inversión requerida, a menos que existan condiciones especiales de comercialización. El anhidro carbónico se utiliza para carbonatación de bebidas (previa desodorización), para la extinción y prevención de fuego. Molienda en seco Recepción y limpieza Molienda: se utiliza un molino de martillo con el propósito de romper el grano facilitando la penetración del agua en la etapa de cocción. Licuefacción, sacarificación y fermentación: son semejantes a las correspondientes en la molienda húmeda, diferenciándose en que el total de los componentes del grano son utilizados en estas etapas. Destilación: se carga el mosto fermentado en la primera columna donde se separa el material sólido depositado en el fondo, continuando las etapas de concentración, purificación y rectificación, coincidiendo estas con las de la molienda en húmedo. Almacenamiento El diagrama del proceso se observa en la figura Nº 2, seguido por la tabla Nº 2 donde se resumen los principales productos.

Figura Nº 2: Molienda en seco. Tabla Nº 2: Principales productos de la molienda en seco. Productos Etanol DDGS Dióxido de Carbono

1 Tn de maíz 405,27 l 321,44 kg 321,44 kg

Coproductos derivados del sistema de producción. El principal coproducto son los granos de destilerías, que pueden ser procesados para obtener algunos de los siguientes suplementos: El residuo procedente de la primer columna de destilación se bombea a los decantadores de centrifugación donde se separan la mayor parte de los sólidos en suspensión en forma de una torta denominados granos de destilados húmedos y un líquido llamado solubles de destilerías (DDS). Estos se pueden reciclar una fracción, a la conversión de almidón y el resto se concentra en evaporadores para formar un jarabe espeso (CDS) que es utilizado para alimentación de ganado. Los granos destilados húmedos (DWG) contienen aproximadamente el 65 % de humedad, residuos no fermentados de los granos originales, levaduras y nutrientes solubles. El cual puede ser vendido como tal o desecarlo hasta un contenido de 10% de humedad (DDG). Si se agrega el jarabe (CDS) a los granos de destilería húmedos (DWG) y si luego se secan, el producto resultante se refiere como granos de destilería desecados con solubles (DDGS) el cual es una fuente importante para la alimentación de ganado, cerdos y aves de corral. Molienda Modificada Quick Germ: (Germen Rápido) El grano se remoja en tanques por 3-12 horas a 60 ºC en agua. Luego el grano entero pasa a través de un molino de discos de fricción, el producto resultante es incubado con la enzima amilasa con el objetivo de incrementar la gravedad específica lo que permitirá la recuperación del germen en un sistema de hidrociclones, el cual es secado para la posterior extracción de aceite. El resto del grano es molido en húmedo y enviado a las siguientes etapas; licuefacción, sacarificación, fermentación y destilación, comunes a todos los procesos. Quick Germ- Quick Fiber: (Germen Rápido-Fibra Rápida) el grano es mojado, molido e incubado. Los parámetro del mojado e incubación se ajustan para producir la flotación de la fibra del pericarpio con el germen. Usando hidrociclones, estos son separados de los otros componentes. En una etapa posterior de aspiración se separa el germen de la fibra. A continuación, el resto del grano es molido en húmedo y enviado a las siguientes etapas; licuefacción, sacarificación, fermentación y destilación, comunes a todos los procesos. La fibra recuperada se utiliza para la producción de goma de fibra de maíz como sustituto de la goma arábica, como aceite de fibra de maíz y como fibra dietaria. Enzymatic dry grind process: (Proceso Enzimático de Molienda en Seco) comienza con un mojado de 12 horas, una molienda gruesa y una posterior incubación enzimática con amilasa y proteasa durante 4 horas (45- 55 ºC y pH 5.0). Después de la etapa de incubación, el germen y la fibra del pericarpio son separados como en el proceso QGQF. El resto se envía a una molienda fina, recuperándose la fibra del endospermo por medio de un cribado. El material remanente continúa

las etapas comunes a los procesos anteriores. En figura Nº 3 se muestra el diagrama de flujo de las moliendas modificadas.

Figura Nº 3: molienda modificada. Principales coproductos de la molienda modificada. Los procesos modificados de molienda en seco incrementan la cantidad de coproductos obtenidos, siendo máxima en la molienda enzimática debido a la separación de los materiales no fermentables del grano (germen, fibra del pericarpio y fibra del endospermo). Como consecuencia de ésta se incrementa la capacidad de fermentación y se reduce la proporción de fibra en el DGS. En la tabla Nº 3 se puede observar la proporción obtenida de coproductos en los distintos procesos modificados. Tabla Nº 3 Coproductos producidos en los procesos modificados. Coproductos QG QGQF Germen (%) Fibra del pericarpio (%) Fibra del endospermo (%) Etanol (lt / Kg) DDGS (% proteína)

6,1

7,7 9,1

0,324 36

0,323 49

E - Mill 8,1 10,2 4,6 0,334 58

Comparación de los procesos de molienda modificada En la tabla Nº 4 se puede observar que con la misma cantidad de agua se procesa, para la molienda enzimática, mayor cantidad de grano. En los tiempos de mojado y fermentación no presenta variación en los distintos procesos, verificándose una considerable disminución en el tiempo de fermentación para QGQF y E-Mill debido a que se extrae una mayor proporción de material no fermentable. Tabla Nº 4: Parámetros operacionales de los procesos modificados.

Maíz (kg) Agua (l) Tiempo de mojado. (h) Tiempo de incubación. (h) Enzimas Tiempo de fermentación. (h)

QG 535 1760 12 4 amilasa

QGQF 570 1760 12 4 amilasa

60-72

36-48

E - Mill 600 1760 12 4 amilasa y proteasa 36-48

RESULTADOS La mayor producción de etanol se obtiene en la molienda en seco convencional (405,27 lt/ tn) seguida por la molienda en húmedo (372,53 lt/ tn) y por último la molienda enzimática (334 lt/ tn), esta disminución se debe a la perdida de almidón durante la recuperación de coproductos. Con respecto a la capacidad de fermentación, se puede decir, que es mayor en la molienda húmeda, debido a que se fermenta el almidón, continuada por la molienda enzimática, donde se fermenta el almidón y el gluten y la molienda en seco que procesa el grano entero. Los tiempos de fermentación disminuyen a medida que se extrae material no fermentable. En la molienda húmeda se obtiene la mayor cantidad de coproductos (germen, fibra, gluten, almidón y dióxido de carbono), teniendo como ventaja que una parte del almidón se puede destinar a la producción de etanol y el resto ser comercializado como tal. La molienda seca es en la que menor cantidad de coproducto se obtienen (DDGS y dióxido de carbono) por lo cual, se han desarrollado nuevos procesos con el objetivo de recuperar más cantidad (germen y fibra) y mayor valor de coproductos durante la producción de etanol. La molienda en seco es la que tiene menor requerimiento de capital tanto en el momento de construir como de operar la planta, en cambio la molienda en húmedo es un proceso de capital intensivo debido a la tecnología aplicada, a los grandes volúmenes procesados de grano, entre otros. En los procesos de molienda modificada, es evidente que a medida que se extrae mayor cantidad de coproductos, mayor es el requerimiento de capital tanto para construir como para operar la planta. CONCLUSIONES La molienda en húmedo es un proceso de capital intensivo donde se procesa un gran volumen de granos obteniéndose una elevada cantidad de coproductos. En la Molienda en seco, se requiere un bajo capital en la instalación y operación de la planta, existiendo pequeñas perdidas de almidón en la recuperación del coproducto. El proceso Quick Germ posee como ventaja la recuperación del germen, incremento de proteína en el DGS, aumento de la capacidad de producción y pérdidas en pequeñas proporciones de almidón por la recuperación de coproductos. Los aspectos favorables del Quick Germ Quick Fiber son la recuperación tanto del germen como de la fibra y se incrementa aún más la capacidad de producción. En Enzymatic Milling se recupera el germen y la fibra del endospermo y pericarpio, este proceso es en el que obtiene la máxima capacidad de producción de etanol. Con el análisis anteriormente expuesto, se concluye que el proceso conveniente a desarrollar en el proyecto final es la molienda enzimática.

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