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• Diego Tello

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PLANTA DE PRODUCCION DE ETANOL. Introducción La fermentación es un proceso metabólico energético que comprende la descomposición de moléculas, tales como carbohidratos, de manera anaerobia. La fermentación ha sido utilizada desde tiempos antiguos en la preparación de alimentos y bebidas. El desarrollo químico ha revelado la naturaleza biológica del proceso de fermentación. El producto de la fermentación es el alcohol etílico, pequeñas cantidades de propanol, butanol, ácido acético, y ácido láctico; los alcoholes de alta concentración también se pueden formar. El alcohol etílico está familiarizado con las bebidas alcohólicas. En su forma no natural es usado como un solvente industrial y como materia prima para la manufactura de acetaldehido, acetato etílico, ácido acético, di bromito de etileno, glicol y muchos otros químicos orgánicos. El alcohol puro también puede ser utilizado para propósitos medicinales, farmacéuticos y saborizantes. El alcohol etílico no sólo es el producto químico orgánico sintético más antiguo empleado por el hombre, sino también uno de los más importantes. La industria emplea mucho el alcohol etílico como disolvente para lacas, barnices, perfumes y condimentos; como medio para reacciones químicas, y para recristalizaciones. Además, es una materia prima importante para síntesis. Para estos fines industriales, se prepara alcohol etílico por hidratación del etileno y por fermentación de azúcar de melazas ( a veces de almidón), por tanto, sus fuentes primarias son el petróleo, la caña de azúcar y varios granos. El alcohol etílico es el alcohol de las bebidas alcohólicas. Para este propósito se prepara por fermentación de azúcar, contenida en una variedad sorprendente de fuentes vegetales. La bebida específica obtenida depende de lo que se fermente: centeno, maíz, uvas o saúco, pulpa de cacto o diente de león, cómo se fermente (dejando escapar el dióxido de carbono o embotellándolo, por ejemplo) y de lo que se haga después de la fermentación (se destile o no). El sabor especial de la bebida no se debe al alcohol etílico, sino a otras sustancias características de la fuente específica o otras sustancias que son añadidas deliberadamente. Medicinalmente, el alcohol etílico se clasifica como hipnótico (que produce sueño); es menos tóxico que otros alcoholes. (El metanol, por ejemplo, es muy venenoso: tomarlo, respirarlo periodos prolongados o dejarlo por mucho tiempo en contacto con la piel, puede conducir a la ceguera o muerte.) Debido a su posición exclusiva como bebida muy gravada y como reactivo industrial, el alcohol etílico plantea un problema especial. Debe estar al alcance de la industria en forma no bebible. Este problema se resuelve agregándole un desnaturalizante, una sustancia que le confiere muy mal sabor o, incluso, eleva toxicidad. Por ejemplo, uno de dos de los ochenta y tantos desnaturalizantes legales son el metanol y la gasolina de alto octanaje. Cuando surge la necesidad, se dispone también de alcohol etílico puro, sin desnaturalizantes, para propósitos químicos, pero su empleo es controlado estrictamente por los gobiernos.

Excepto para bebidas alcohólicas, prácticamente todo el alcohol etílico que se consume es una mezcla de 95% de alcohol y 5% de agua, conocida simplemente como alcohol de 95%. Cualquiera que sea su método de preparación, primero se obtiene alcohol etílico mezclado con agua, y luego se concentra esta mezcla por destilación fraccionada. Pero sucede que el componente de punto de ebullición más abajo no es alcohol etílico (p.e. 78.3ºC), sino un azeótropo binario que contiene 95% de alcohol y 5% de agua (p.e. 78.15ºC). Como azeótropo, da un vapor de igual composición, por supuesto, y no se puede concentrar más por destilación, cualquiera que sea la eficiencia de la columna de fraccionamiento que se utilice. El alcohol etílico puro se conoce como alcohol absoluto. Aunque es más caro que el alcohol de 95%, es accesible cuando se necesita específicamente. Se obtiene aprovechando la existencia de otro azeótropo, esta vez uno ternario de p.e. 64.9ºC: 7.5% de agua, 18.5% de alcohol etílico y 74% de benceno. Para ciertos propósitos especiales, debe ser eliminado hasta el menor vestigio de agua se encuentra en el alcohol absoluto comercial, lo que puede lograrse por un tratamiento del alcohol con magnesio metálico: el agua se convierte en Mg (OH)2 insoluble, del cual se destila luego el alcohol. La producción del alcohol etílico es realizada a través de procesos eficientes y automáticos. El proceso de manufactura no es muy complejo y es fácil de realizar. El control de la contaminación y el mantenimiento y reparación de las maquinarias y equipos también son fáciles. Aquellas naciones con climas tropicales y sub-tropicales, con abundante producción de azúcar y maíz, podrían invertir en el establecimiento de esta planta de producción que puede ser orientada tanto a la exportación como a la importación.

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Materias primas,

1.1 Melaza: La melaza o miel de caña es un producto líquido espeso derivado de la caña de azúcar y en menor medida de la remolacha azucarera, obtenido del residuo restante en las cubas de extracción de los azúcares. Su aspecto es similar al de la miel aunque de color parduzco muy oscuro, prácticamente negro. El sabor es dulce, ligeramente similar al del regaliz, con un pequeño regusto amargo. Nutricionalmente presenta un altísimo contenido en hidratos de carbono además de vitaminas del grupo B y abundantes minerales, entre los que destacan el hierro, cobre y magnesio. Su contenido de agua es bajo. Se elabora mediante la cocción del jugo de la caña de azúcar hasta la evaporación parcial del agua que éste contiene, formándose un producto meloso semicristalizado. Principalmente se emplea la melaza como suplemento energético para la alimentación de rumiantes por su alto contenido de azúcares y su bajo costo en algunas regiones. No obstante, una pequeña porción de la producción se destina al consumo humano, empleándola como edulcorante culinario. Es importante diferenciar la melaza empleada en la alimentación animal, la cual es un producto residual de la industria azucarera, de la melaza que es empleada como materia prima en la producción de azúcar. En algunos países de Sudamérica esta última suele procesarse artesanalmente hasta transformarla en bloques sólidos de azúcar no refinada muy apreciada por su sabor que se conocen en Sudamérica, Centroamérica y sur de México bajo el nombre de chancaca, panela o papelón, y en el resto de México con el nombre de piloncillo. La melaza de remolacha no es apta para el consumo humano pues es amarga, sin embargo se utiliza en la alimentación de vacas lecheras y ganado vacuno. De la melaza se pueden obtener diversos tipos de alcoholes.

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Materiales e insumos

2.1 Agua Para Proceso 2.1.1 Propiedades físico-químicas: * Estado físico: sólida, liquida y gaseosa * Color: incolora * Sabor: insípida * Olor: inodoro * Densidad: 1 g./c.c. a 4°C * Punto de congelación: 0°C * Punto de ebullición: 100°C * Presión crítica: 217,5 atm. * Temperatura critica: 374°C

2.1.2 Características: El agua es un disolvente muy potente, al que se ha catalogado como el disolvente universal, y afecta a muchos tipos de sustancias distintas. Las sustancias que se mezclan y se disuelven bien en agua -como las sales, azúcares, ácidos, álcalis, y algunos gases (como el oxígeno o el dióxido de carbono, mediante carbonación)[. Es miscible con muchos líquidos, como el etanol, y en cualquier proporción, formando un líquido homogéneo. Por otra parte, los aceites son inmiscibles con el agua, y forman capas de variable densidad sobre la superficie del agua. Como cualquier gas, el vapor de agua es miscible completamente con el aire5.

2.1.3 Almacenamiento: El agua se almacenara en tanques galvanizados por inmersión y con una recubierta de poliuretanos para evitar el crecimiento micro bacteriano en las paredes del recipiente. A temperatura ambiente.

2.1.4 Abastecimiento de Agua: El abastecimiento del agua se llevara a cabo, por medio de un sistema de captación de agua en pozos localizados cerca de la planta y posteriormente pasando por un sistema de purificación para el acondicionamiento, y por ultimo será bombeada hasta los recipientes destinados a su almacenamiento. El agua de estos pozos tiene las siguientes características: El pH se mantiene neutro, cercano a 7.0 - 7.2, una dureza media (concentraciones bajas de sales magnesio y calcio) y un contenido alto de sólidos (arena, etc.)6.

2.2 Levadura (Saccharomyces cerevisiae) 2.2.1 Características Físico- químicas: * Estado físico: Vermicelli pequeña. * Color: Ligeramente beis. * Olor: Típico, ligero olor a fermentación. * Inflamabilidad: Combustible. * Solubilidad en agua: Suspensión.

2.2.2 Características: Levadura es un nombre genérico que agrupa a una variedad de hongos, incluyendo tanto especies patógenas para plantas y animales, como especies no solamente inocuas sino de gran utilidad. Dentro del género Saccharomyces, la especie cerevisiae constituye la levadura y el microorganismo eucarionte más estudiado. Este organismo se conoce también como la levadura de panadería, ya que es necesario agregarla a la masa que se utiliza para preparar el pan para que este esponje o levante; de hecho el término levadura proviene del latín levare, que significa levantar.

2.2.3 Forma de almacenamiento: Manténgase en lugar fresco y seco. Se lo coloca en bolsas de aluminio (a vacío) o en envases de cartón.

2.2.4 Forma De Transporte: El transporte se llevara a cabo en camiones, en los cuales la levadura estará en paquetes de aluminio al vacío para evitar su activación.

2.3 ACIDO SULFÚRICO (H2SO4) 2.3.1 Características físico- químicas: * Apariencia, olor y estado físico: Líquido aceitoso incoloro o café. Inodoro, pero concentrado es sofocante e higroscópico. * Gravedad específica (Agua=1):1.84 (98%), 1.4(50%). * Punto de ebullición (ºC):274 (100%), 280(95%) * Densidad relativa del vapor (Aire=1):3.4 * Punto de fusión (ºC):3 (98%); -64(65%). * Viscosidad (cp.):21 / 25°C. * pH:0.3 (Solución acuosa 1 N). * Presión de vapor (mm Hg): Menor de 0.3 /25°C, 1.0 / 38°C * Solubilidad: Soluble en agua y alcohol etílico (descompone en este último).

2.3.2 Características: Apariencia: Líquido aceitoso incoloro. Peligro. Corrosivo. Higroscópico. Reacciona con el agua. Puede ocasionar daños en riñones y pulmones, en ocasiones ocasionando la muerte. Causa efectos fetales de acuerdo a estudios con animales de laboratorio. Peligro de cáncer. Puede ser fatal si se inhala. Ocasiona severas irritaciones en ojos, piel, tracto respiratorio y tracto digestivo con posibles quemaduras.

2.3.3 Forma De Almacenamiento: Lugares ventilados, frescos y secos. Lejos de fuentes de calor, ignición y de la acción directa de los rayos solares. Separar de materiales incompatibles. Rotular los recipientes adecuadamente. No almacenar en contenedores metálicos. No fumar porque puede haberse acumulado hidrógeno en tanques metálicos que contengan ácido. Evitar el deterioro de los contenedores. Mantenerlos cerrados cuando no están en uso. Almacenar las menores cantidades posibles. Los contenedores vacíos deben ser separados. Inspeccionar regularmente la bodega para detectar posibles fugas o corrosión. El almacenamiento debe estar retirado de áreas de trabajo. El piso debe ser sellado para evitar la absorción. Los equipos eléctricos, de iluminación y ventilación deben ser resistentes a la corrosión. Disponer en el lugar de elementos para la atención de emergencias.

2.3.4 Forma De Transporte: Etiqueta negra y blanca de sustancia corrosiva. No transporte con sustancias explosivas, sustancias que en contacto con agua pueden desprender gases inflamables, sustancias comburentes, peróxidos orgánicos, materiales radiactivos, ni alimentos.

2.4 Vapor de agua El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa. La mayor cantidad de energía, es consumida por la industria, y de ésta, cerca del 70% proviene de combustibles fósiles, distribuidos en la forma siguiente: El gas natural como principal recurso (50%), seguido por el combustóleo (21%) y el coque (11%). Este requerimiento energético demandado por la industria lo conforman principalmente los sistemas de combustión directa, como son los calentadores a fuego directo y calderas, donde estas últimas se utilizan para la generación de vapor, el cual se requiere para suministrar trabajo mecánico y calor a los procesos.

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Descripción del proceso.

3.1 Transporte y almacenamiento de la melaza. La melaza obtenida desde una fábrica proveedora es transportada vía transferencia de tuberías o carros de almacenamiento a la planta de procesamiento de alcohol etílico. La melaza es colocada en un tanque de almacenamiento de concreto bajo tierra por bombeo de la melaza. Cuando el proceso ha comenzado, la melaza almacenada será bombeada en un contenedor o vasija de disolución para ajustarlo a una concentración adecuada.

3.2

Preparación de la melaza.

La melaza es bombeada dentro del tanque medidor a través de un bombeo desde el tanque bajo tierra el cual recibe el material directamente desde el tanque de almacenamiento por transferencia de tuberías. Después que la melaza es medida exactamente, fluye hacia el tanque de disolución de la melaza. Debido a su resistente concentración de azúcar, la melaza no soporta una fermentación directa, por lo tanto primero debe ser diluido a la concentración deseada. Este es llamado masa o templa, y presenta los carbohidratos listos para la inoculación o vacunación de los cultivos de semillas. La melaza utilizada en este proceso no necesita ser esterilizada o “nutriotinizada” por un proceso diseñado especialmente, el cual será útil para eliminar el consumo de vapor y los costos de producción de corte. Después que la melaza es diluida a la concentración deseada, una mezcladora automática ayudará a darle una concentración homogénea para el proceso de fermentación, antes de que sea bombeado a una serie de fermentadores de acero.

3.3 Estación de cultivo de granos. La estación es equipada con un fermentador piloto en conjunto con el equipo de cultivo de granos y los instrumentos de cultivo diseñados especialmente. Este proceso es realizado bajo una exacta supervisión de laboratorio, incluyendo la selección de la inoculación de los granos de levadura, la adición de nutrientes, el ajuste del pH, el control de temperatura, y finalmente la limpieza y esterilización de la máquina de cultivo de levadura para la realización del siguiente lote.

3.4 Suministro de agua procesada El equipo suministrador de agua procesada y el equipo incrementador de presión son proporcionados. El suministro de agua procesada será diseñado para una carga máxima de 21 TM/Hr; sin embargo, sólo aproximadamente 210 TM es necesario diariamente. El agua utilizada en el proceso podría ser tratada como agua drenada de calidad o suministrado por un pozo de 90100 metros de profundidad.

3.5 Estación de fermentación. Existen 8 fermentadores con una capacidad aproximada de 45 KL. Los fermentadores están conectados por tuberías para una operación de fermentación continua. Esta estación tiene un control automático de temperatura, velocidad de flujo, operación de templado y operación de alimentación. Usualmente el ciclo de fermentación dura de 2-3 días. Dado que el alcohol etílico es formado por levadura desde monosacárido, es necesario descomponer la sacarosa en d-glucosa y d-fructuosa. Las enzimas producidas por la levadura cambian los monosacáridos en alcohol y dióxido de carbono. Después que ha sucedido la reacción, el alcohol etílico presente en los fermentadores puede ser separado por destilación. El contenido de alcohol de la masa es de 7-12% de su volumen, es bombeada hasta la sección de destilación del alcohol. Después de pasar a través de varios intercambiadores de temperatura, el residuo en la base del destilador transporta proteínas, residuos de azúcar y otras impurezas que pueden ser extraídas y usadas como componentes para alimento animal. El diseño de la estación elimina los errores de operación y puede alcanzar resultados efectivos a bajos costos de operación. La capacidad de esta estación puede presentar el requerimiento para la manufactura suficiente del caldo fermentado para la estación de destilación con una producción diaria de 30 KL de alcohol etílico.

3.6 Estación de destilación y rectificación. El caldo conteniendo alcohol etílico, agua, aldehído, ácido acético, etc., pasa a través de un intercambiador de temperatura hacia un condensador parcial para mantener el alcohol en la columna y para proporcionar un reflujo para las placas superiores. Los productos más volátiles, los cuales todavía pueden contener rastros de aldehídos y alcohol, son condensados completamente y transportados detrás de la parte superior del destilador de aldehído. Cerca de la parte superior de la columna, el 95-96% del alcohol es absorbido a través del condensador para su almacenamiento.

3.7 Diagrama de flujo de la fabricación del producto.

3.8 Diagrama del proceso.

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Operaciones Unitarias en cada etapa.

4.1 Transporte y almacenamiento de la melaza.  Mecánica de Fluidos  Estática de fluidos.

4.2 Preparación de la melaza.  Mecánica de fluidos.  Transferencia de momentum.

4.3 Estación de cultivo de granos. 4.4 Suministro de agua procesada  Mecánica de fluidos.

4.5 Estación de fermentación.     

Mecánica de fluidos Transferencia de calor Destilación Evaporación Separación

4.6 Estación de destilación y rectificación.  Transferencia de calor  Mecánica de fluidos  Condensación

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Proceso Bioquímico.

Fermentación Alcohólica La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxigeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos como consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados. Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxigeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.

Se presentan las distintas etapas comprendidas en la fermentación alcohólica de la glucosa por la levadura. Desde la glucosa hasta la síntesis de piruvato, se trata de una vía metabólica idéntica a la glucolisis muscular, denominada vía de las triosas o de Embden-Meyerhof. Las etapas fundamentales de la misma son: 1. Formación de hexosas fosfato. 2. Formación de triosas fosfato.

3. Oxidación del gliceraldehido-3 4. Formación del piruvato. 5. Descarboxilación del piruvato. 6. Reducción del acetaldehído. REACCIONES COMPRENDIDAS EN LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

CONVERSION DEL PIRUVATO A ETANOL

En más detalle durante la fermentación etílica en el interior de las levaduras, la vía de la glucolisis es idéntica a la producida en el eritrocito (con la excepción del piruvato que se convierte finalmente en etanol). En primer lugar el piruvato se descarboxila mediante la acción de la piruvato descarboxilasa para dar como producto final acetaldehído liberando por ello dióxido de carbono (CO2) a partir de iones del hidrogeno (H+) y electrones del NADH. Tras esta operación el NADH sintetizado en la reacción bioquímica catalizada por el GADHP se vuelve a oxidar por el alcohol deshidrogenasa, regenerando NAD+ para la continuación de la glucolisis y sintetizando al mismo tiempo etanol. Se debe considerar que el etanol va aumentando de concentración durante el proceso de fermentación y debido a que es un compuesto toxico, cuando su concentración alcanza aproximadamente un 12% de volumen las levaduras tienden a morir. Esta es una de las razones fundamentales por las que las bebidas alcohólicas (no destiladas) no alcanzan valores superiores a los 20% de concentración de etanol.

Planta de producción alcohol etílico 

http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=149&fdname=FOOD+MANUFACTURI NG&pagename=Planta+de+produccion+de+alcohol+etilico 2013/04/14

Proceso de obtención de alcohol etílico 

http://es.scribd.com/doc/40549739/Descripcion-Del-Proceso-de-Obtencion-de-Alcohol-Etilico 2013/04/14

Alcohol etílico 

http://www.monografias.com/trabajos94/alcohol-etilico/alcohol-etilico.shtml 2013/04/14

Operaciones Unitarias 

http://www.systemsbiology.cl/recursos/archivos/Libro_OOUUIv2.pdf 2013/04/14

Proceso Químico 

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http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion /Octubre_2011/IF_DECHECO%20EGUSQUIZA_FIPA/CAPITULO%20N%BA%2002.pdf 2013/04/14 http://books.google.com.ec/books?id=lvg2Wn4HNroC&pg=PA211&lpg=PA211&dq=proceso+bio quimico+de+la+fermentacion+alcoholica&source=bl&ots=y5TBHaJj27&sig=EOERX9d6DWJCtx5F hkbuG3UA_s&hl=es&sa=X&ei=lGprUdemEbLh4APZk4GICA&ved=0CFIQ6AEwAw#v=onepage&q= proceso%20bioquimico%20de%20la%20fermentacion%20alcoholica&f=false 2013/04/14