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FERMENTACIÓN DEL BIOETANOL

BEDOYA DE LUIS EVA CORRALES RICARDO HAROLD MARTÍNEZ IZQUIERDO LUISA SALGADO AVILÉZ NATALIA SÁNCHEZ JARAMILLO JOSE

DEIVIS LUJÁN RHENALS, Ph.D Ingeniero de Alimentos Docente de la asignatura

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS BIOTECNOLOGIA ALIMENTARIA VIII SEMESTRE 2016-I

BIOETANOL 1. LOS BIOCOMBUSTIBLES Los biocombustibles son combustibles de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos orgánicosa menudo mezclados con otros combustibles en pequeñas proporciones, 5 o 10%. Estos restos orgánicos proceden habitualmente del azúcar, trigo, maíz o semillas oleaginosas. Tipos de biocombustibles se encuentran: 

Biodiésel: El biodiésel es un biocombustible que se fabrica a partir de cualquier grasa animal o aceites vegetales (Girasol, canola, soja o jatropha). Se puede usar puro o mezclado con gasoil en cualquier proporción en motores diésel.

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Biomasa: La madera o incluso los excrementos secos son biocombustibles. Biomasas pueden ser virutas o aserrín de madera, producto de la limpieza de bosques o incluso de su explotación racional.

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Biogás:El biogás, resulta de la fermentación de los desechos orgánicos. Este combustible es una alternativa más en la matriz energética del país.

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Bioetanol: El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, es un alcohol que se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar o remolacha. Permite sustituir las gasolinas o naftas en cualquier proporción y que generan contaminación ambiental. Brasil es el principal productor de bioetanol, 45% de la producción mundial, Estados Unidos representa el 44%, China el 6%, la Unión Europea el 3%, India el 1% y otros países el restante 1%.

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La caña de azúcar, la remolacha o el maíz no son la única fuente de azúcar. Puede ser utilizada la celulosa para obtener azúcar.

2. ORÍGENES E HISTORIA DE LOS BIOCOMBUSTIBLES 

La idea de usar aceites vegetales como combustible para motores de combustión interna data de1895. En ese año el Dr. Rudolf Diésel desarrolló el primer motor diésel, cuyo prototipo ya estaba previsto que funcionara con aceites vegetales.

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En 1908 Henry Ford en su modelo T usaba etanol en sus principios.

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La compañía Standard oil en el periodo de 1920 a 1924 vendía una gasolina con un 25% de etanol.

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En la década del 70 como consecuencia de la crisis del petróleo EEUU comienza nuevamente a mezclar gasolina y etanol dando un importante auge a los biocombustibles.

3. BIOETANOL No todos los biocombustibles nacen de las mismas materias primeras y, según éstas, han sido clasificados por generaciones: 

La primera generación, combustibles hechos a partir de biomasa procedente de conreos comestibles, ricos en lípidos o en hidratos de carbono (componentes de interés para la elaboración del diésel y el etanol) como el maíz, la palma, la soja o la caña de azúcar.

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La segunda generación, biocombustibles se basa en materiales que no provienen de cultivos comestibles, sino que en su mayoría son residuos de cultivos, como tallos, cáscaras, o pulpa y pieles de frutas de las industrias productoras de zumos.

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Tercera generación, generación de biocombustibles a partir de microalgas, organismos unicelulares fotosintéticos 3.1 Producción de Bioetanol a partir de sustratos tradicionales 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 - 24 kcal La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono, para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol y dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.

3.2 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).

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Aldehidos: primordialmente acetaldehido, Ésteres: acetato de isobutilo y acetato de isoamilo.

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Ácidos orgánicos: Ácidos volátiles: fórmico, acético, propiónico, butírico y láctico y trazas de otros ácidos grasos. Ácidos tartárico y málico

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Dióxido de Carbono.

Varios autores, coinciden en definir 3 tipos de materias primas para la producción de etanol: 

Materiales portadores de azúcares simples que contienen carbohidratos como fuente de azucares. (Tales como jugo de caña de azúcar, melazas, sorgo dulce, etc.)

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b) Materiales amiláceos los cuales contienen almidón como fuente de azúcares. (Tales como la yuca, maíz, papa, etc)

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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. Residuos Lignocelulósicos: En este grupo de materias primas se ubica el bagazo como residuo agroindustrial. La idea de producir etanol a partir de esta vía data de las décadas de 1940 y 1950, y su producción se ha llevado a escala comercial en algunos países, principalmente del mundo desarrollado. 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.

Otros materiales azucarados utilizables como sustratos de la fermentación alcohólica Además de los sustratos antes mencionados, existen en la fábrica de azúcar otros que pueden ser utilizados, como el jugo de los filtros de cachaza. Este jugo debe ser decantado para su uso posterior en la fermentación alcohólica.  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:

4. 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. Entre las especies más utilizadas están: Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoideus, S. anamensisi, Candidaseudotropicalis, S. carlsbergensis, Kluyveromycesmarxianus, Candidabytyrii, Pichiastipatis, Schizosaccharomycespombe y Pichiamembranaefaciens. 4.1 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 alcohol: 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.

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Tolerancia a la alta temperatura: Muchas levaduras son sensibles a la temperatura; si ésta se eleva, la productividad puede disminuir.

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Tolerancia a la alta concentración de azúcares.Trabajar con altas concentraciones de azúcares produce mayor eficiencia y productividad del proceso fermentativo.

Otros tipos de microorganismos que se utilizan en estos procesos son las bacterias y algunos hongos como Mucorracemosus y del género Rhizopus. También se tiene: 

Empleo de cultivos mixtos en la fermentación alcohólica.

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Bacterias; entre ellas se destaca la Zymomonasmobilis, Clostridium sporogenes, Cl. indolicus, Cl. sphnoides, Zimomonasmobilis, Erwiniaamilovora, Spirochetaaurantia, Streptococuslactis, Spirocheta litorales y Spirochetastenostrepta, con satisfactorios resultados de productividad.

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Se han investigado las características del Clostridium saccharobutyricum y su comportamiento en la fermentación, y se demostró que acelera la formación de alcohol durante la fermentación por levadura.

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Otras experiencias realizadas con Clostridium pasteurianum demostraron que producen ácido butírico principalmente y que el Clostridium butyricum A.T.C.C. 6015 produce ácidos volátiles.

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Las bacterias Escherichia coli y Zymomonasmobilis y la levadura Saccharomyces cerevisiae han sido objeto de estudios desde el punto de vista genético para ser utilizados en la sacarificación y fermentación de la celulosa, la utilización de residuos agrícolas, sueros y almidones. También se reportan estudios de cultivos mixtos de hongos y levaduras como Trichodermaviride y Pachysolentannphylus, Aspergillus ninger y Saccharomyces cerevisiae para lograr estos objetivos.

4.2 Ruta metabólica para la producción de etanol

La ruta de Entner-Doudorof es una ruta metabólica alternativa que cataboliza glucosa a piruvato usando una serie de enzimas distintos a la glucólisis y a la ruta de la pentosa fosfato. Es exclusiva de un número reducido de microorganismos carentes de la ruta EmbdenMeyerhof. El 6-fosfogluconato puede deshidratarse a 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato. Este compuesto puede desdoblarse luego en piruvato y gliceraldehido-3-fosfato mediante una aldolasa. Mediante esta ruta se produce menos NADPH que en situación en la que el 6-fosfogluconato es descarboxilado a ribulosa-5-fosfato.

Adicionalmente, el gliceraldehido-3-P se oxida a piruvato por la vía de Embden-Meyerhof, descarboxilándose en ambos casos el piruvato y originando acetato.

Reacción en general de la ruta de Entner-Doudorof

En Gluconobacteroxydans y Melanogenes, el 6-fosfogluconato puede deshidratarse a 2-ceto-3desoxi-6-fosfogluco neto. Este compuesto puede desdoblarse luego en piruvato y gliceraldehido-3P mediante una aldolasa. Mediante esta ruta se produce menos NADPH que en la situación en la que el 6-fosfogluconato es descarboxilado a ribulosa-5-P Adicionalmente, el gliceraldehído-3-P se oxida a piruvato por la vía de Embden-Meyerhof, descarboxilándose en ambos casos el piruvato y originando acetato tal como ha sido descrito anteriormente. -

Saccharomyces cerevisiae

La producción de etanol está íntimamente ligada con el crecimiento celular lo que significa que la levadura se presenta como un coproducto del proceso de fermentación. Saccharomyces cerevisiae ha sido uno de los microorganismos mas utilizados en la producción de etanol. Esta emplea como ruta metabolica la glicolisis para la fermentación y/o producción de bioetanol. Bajo condiciones anaeróbicas el piruvato es reducido a etanol con la liberación de CO2. Teoricamente el rendimiento es de 0,511 y 0,489 para etanol y CO2 respectivamente a partir de un mol de glucosa metabolizada. De acuerdo con la viaglucolitica, por cada molecula de glucosa se hidrolizan o se gastan dos de ATP y se producen cuatro moléculas de ATP por lo que existe una ganancia de energía de dos ATP. Los últimos son utilizados para conducir la biosíntesis de células de levadura que implica una variedad de biorreacciones que requieren energía.

Las etapas fundamentales de la misma son: I.

Formación de hexosas fosfato.

II.

Formación de triosas fosfato.

III.

Oxidación del gliceraldehído-3

IV.

Formación del piruvato.

V.

Descarboxilación del piruvato.

VI.

Reducción del acetaldehído

5. 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. 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.

6. TENDENCIA TECNOLÓGICAS PRODUCCIÓN BIOETANOL

6.1 Etanol de cereal Descripción del proceso El cereal se introduce en las unidades de proceso, donde se muele, se mezcla con agua, se calienta con vapor y se le añaden enzimas y nutrientes para obtener un mosto fermentable. El mosto fermentado con levaduras se destila para separar los sólidos y finalmente se deshidrata para obtener etanol anhidro.

Operaciones para la obtención del mosto fermentado

Operaciones para la separación del Alcohol de los Sólidos y el Agua: Destilación y Evaporación

Obtención de DGS (DDGS). Decantación, Secado y Peletizado El producto seco -restos de grano secos de destilería con solubles, o DDGS- se envía a peletizar, donde se obtiene el DDGS en pelets o DGS, que, como su nombre indica, es un compuesto proteínico que se utiliza como alimento animal.

6.2 Hidrólisis Enzimática de la Biomasa (material lignocelulósico) El reemplazo de los cereales utilizados como materia prima en los procesos de producción de bioetanol por material lignocelulósico de mucho menor coste, como residuos agrícolas y forestales, es una alternativa que podría hacer más competitivo el precio del bioetanol. Para lograr un proceso económicamente sostenible y aproximarse a los precios de mercado de los combustibles fósiles deben reducirse sus costes de producción. También debe tenerse en cuenta que otra gran ventaja de esta nueva tecnología es que amplía las oportunidades para la producción de etanol, debido a que se parte de una materia mucho más abundante que el cereal. El proceso para convertir biomasa lignocelulósica en bioetanol esta compuesto por las siguientes etapas: 

Deslignificación para liberar la celulosa y hemicelulosa de la lignina, las cuales están fuertemente unidas a ésta mediante enlaces de hidrógeno y covalentes. Actualmente, se utiliza la explosión de vapor como método de pretratamiento, en el cual se rompe la estructura interna de la biomasa, formando los azúcares de la hemicelulosa.

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Separación de los azúcares formados por la hemicelulosa (principalmente xilosa) del sólido, que posteriormente serán fermentados a etanol.

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Producción de azúcares libres, principalmente glucosa, mediante hidrólisis enzimática de la celulosa. En esta etapa las moléculas de la celulosa se rompen para formar los azúcares que posteriormente serán fermentados a etanol.

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Fermentación de estos azúcares (hexosas y pentosas) para producir etanol. La conversión enzimática de celulosa a glucosa empieza en la etapa anterior y luego continúa mientras que la levadura convierte simultáneamente la glucosa a etanol.

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Separación del etanol de la corriente de salida de los fermentadores, lo cual se realiza mediante un proceso de destilación.

6.3 Gasificación y Síntesis Catalítica La alternativa a los procesos biológicos para la producción de biocarburantes a partir de biomasa son los procesos termoquímicos, que además pueden complementarlos. De esta forma, el bioetanol se puede obtener a partir de biomasa transformando ésta en gas de síntesis (syngas) y convirtiendo éste químicamente en etanol. La razón para desarrollar este proceso es que tiene la capacidad de procesar materiales muy heterogéneos, además de poder integrarse con la ruta biológica, siendo posible convertir los residuos de ésta en gas y en más etanol. El concepto consiste en la conversión de la biomasa en gas de síntesis, y en la posterior transformación del gas de síntesis en etanol por un proceso catalítico. El gas de síntesis se puede convertir en otros productos además de etanol, como alcoholes superiores, etanol, diesel (Fischer Tropsch) dimetiléter, hidrógeno. También se produce en todos los caso energía eléctrica, utilizando el gas de síntesis como combustible en turbinas de gas.

Además de los dos procesos principales mencionados, gasificación y síntesis catalítica, existe un gran número de otros procesos intermedios. Los principales bloques que se pueden distinguir son el pretratamiento de la biomasa, en el que la biomasa se adapta para ser introducida en el gasificador. La gasificación en sí misma puede ser llevada a cabo directamente o transformando la biomasa en intermedios. Tras la gasificación, el gas debe ser limpiado, para eliminar contaminantes que envenenarían el catalizador. En el acondicionamiento de gases, el gas se dispone en las condiciones de composición, presión y temperatura óptimas para la conversión catalítica. El paso de síntesis se lleva a cabo en presencia de catalizadores metálicos heterogéneos, donde se sintetizan etanol y otros productos. Estos productos tienen que ser finalmente separados, para aislar el etanol. Se emplea destilación multicomponente. Finalmente se produce además de etanol otros alcoholes y energía eléctrica. Entre las principales ventajas de la tecnología se destaca el alto rendimiento energético, pues una gran cantidad de energía puede ser aprovechada como energía eléctrica. Consecuentemente, se obtienen unos balances de emisiones de gases de efecto invernadero muy atractivos. Además, en la producción no hay grandes consumos de productos químicos caros, ni necesidades de energía externa ni de otros costes de producción elevados. Dado que la biomasa empleada puede ser muy barata, pues viene de recursos residuales, los costes de producción pueden realmente reducirse. La mayoría de los procesos termoquímicos son sobradamente conocidos por las industria del gas de síntesis, por lo que gran parte de la experiencia desarrollada en estos sectores se adaptará al caso de biomasa. Los mayores esfuerzos en el desarrollo tecnológico que se están realizando en la actualidad están centrados principalmente en la demostración de la gasificación de biomasa para posteriores síntesis, dadas las restrictivas condiciones que imponen los catalizadores, y en el desarrollo de catalizadores de síntesis, para incrementar las productividades de los actuales. Además, existen esfuerzos de investigación en muchos otros como pretratamiento de biomasa, limpieza de gases y escalado de los diferentes procesos.

BIBLIOGRAFÍA

[1] Google Books. (2016). PREGUNTAS Y RESPUESTAS MÁS FRECUENTES SOBRE BIOCOMBUSTIBLES. [En línea] Disponible en: https://books.google.com.co/books?id=5FYmAOPfhEcC&printsec=frontcover&dq=biocombust ibles&hl=es419&sa=X&ved=0ahUKEwiqvfjj_pPMAhXI3SYKHUKQAW0Q6AEIGjAA#v=onepage&q=b iocombustibles&f=false [Acceso Mayo. 2016].

[2] FERMENTACIÓN ALCOHOLICA BIOETANOL. [En linea] Disponible en: http://www.agrowaste.eu/wp-content/uploads/2013/02/FERMENTACION-ALCOHOLICA.pdf [Acceso Mayo. 2016]

[3] FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA: UNA OPCIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA RENOVABLE A PARTIR DE DESECHOS AGRÍCOLAS. [En línea] Disponible en: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432007000400004 [Acceso Mayo. 2016]

[4] OBTENCIÓN DE ETANOL. [En línea] Disponible en: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/332569/MODULO_332569_EXE/obtencin_de_etanol.ht ml [Acceso Mayo. 2016]