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Departamento de Ingeniería Mecánica
Energías Renovables Unidad 6: Energía de la Biomasa BIOETANOL 1
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Bioetanol El bioetanol es básicamente alcohol etílico que se obtiene a partir de la fermentación y destilación de los hidratos de carbono contenidos en la materia orgánica (biomasa). 2 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Materias primas para la producción de bioetanol La biomasa que puede ser utilizada para la obtención de etanol es aquella que contiene azucares simples o polisacáridos, la cual se puede clasificar bajo tres tipos principales: • Fuentes con alto contenido de azucares • Fuentes con alto contenido de almidón • Fuentes con alto contenido de celulosa 3 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Tipos de materias primas para la producción de bioetanol Producto básico a ser convertido en etanol
Ejemplos •
Azucares
Almidón
Celulosa
• • • • • • •
Sacarosa de cultivos sacáridos: caña de azúcar, remolacha, sorgo sacarífero. Azucares invertidos y glucosa: melazas y otros residuos agroindustriales, como lactosas Granos de cereales: maíz, sorgo, trigo, cebada Productos procesados: harina de trigo, cascarilla de maíz. Raíces almidonadas: mandioca, papa, batata, topinambur Residuos lignocelulósicos: fibras en general, aserrín, paja, residuos boscosos, residuos agrícolas, lejía celulósica Residuos urbanos e industriales: papel, fracciones celulósicas Bosque implantado o plantaciones energéticas 4
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Materias primas utilizadas en países productores de etanol como combustible
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Fuentes: Biofuels Platform, 2009; Balat & Balat, 2009
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Usos energéticos del Bioetanol • Combustible en motores de combustión interna con ignición a chispa (motores Ciclo Otto) • Esterificación de aceites (producción de Biodiesel). • Producción de alco-químicos (etil-tri-butileter ) • Producción de hidrogeno 6 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Propiedades físico-químicas: bioetanol vs nafta Propiedades Fórmula química Peso Molecular Densidad a 20°C (g/cm3) % Carbono (peso) % Hidrógeno (peso) % Oxígeno (peso) PCI Índice de octano método (Research) Índice de octano método motor
Nafta (CH)x 114 0,73 84 16 10.500 73
Etanol Anhidro C2H5OH 46 0,79 52 13 35 6.400 106
Etanol Hidratado C2H5OH17H2O 0,81 5.952 110
73
89
92
Índice de octano calculado Grados GI (volumen) Calor latente de vaporización (kj/kg) Presión de vapor (kPa) Temperatura de ignición (°C) Relación aire-combustible estequiométrica Solubilidad en agua (% en volumen)
73 -
158 99,5
162 95
330-400
842-930
-
40-65 220
15-17 420
-
14,5
9
-
≈0
100
100
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Mezcla de bioetanol y nafta Las características químicas del bioetanol implican que mezclado con la nafta le confiera a la mezcla las siguientes propiedades: • Mejora el octanaje, lo cual permite una relación de compresión más alta y un aumento de potencia. • Reduce la posibilidad de separación del agua • Mantiene el sistema de combustión del vehículo limpio • Debido a que el etanol posee un punto de fusión de -114,3°C y un punto de ebullición de 78,4°C, actúa como un anti-congelante en épocas invernales independientemente de la latitud en la cual se utilice. 8 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Bioetanol Ventajas • No incrementa los niveles de CO2 en la atmosfera • Proporciona una fuente de energía renovable • Revitaliza la economía rural, genera empleo • Podría reducir los excedentes agrícolas • Mejora el aprovechamiento de tierras de poco valor agrícola • Mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales
Desventajas • Costo de producción elevado en comparación con su equivalente fósil • Se necesitan grandes espacios de cultivo • Potenciación de monocultivos intensivos (uso de pesticidas y herbicidas) • Precisa una transformación previa compleja • Su uso se limita a un tipo de motor de bajo rendimiento y poca potencia. 9
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Producción del bioetanol Independientemente de la materia prima utilizada, el proceso de obtención de bioetanol consta de cuatro etapas a partir de la llegada de la materia prima a la planta de producción: • Preparación de la materia prima • Fermentación levaduras.
alcohólica
mediante
el uso
de
• Recuperación de etanol • Recuperación de co-productos 10 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Rutas tecnológicas para la producción de bioetanol
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Proceso de producción del bioetanol
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Procesamiento de diferentes materias primas
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Esquema de fabricación dual de azúcar y alcohol
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Producción de alcohol (Destilería Autónoma)
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Alcohol de maíz
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Producción de bioetanol a partir de maíz (vía seca)
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Producción de bioetanol a partir de maíz (vía seca) Pasos: 1- Molienda: El proceso de molienda seca comienza con la limpieza del grano de maíz (puede ser cebada, trigo o sorgo), que una vez limpio pasa a través de molinos que lo transforman en un polvo fino. (harina de maíz). 2- Licuefacción: La harina de maíz pasa a grandes tanques donde se mezcla con agua y se agrega enzimas (alfa amilasa), pasando a través de las cocedores donde se licúa el almidón. Se agrega a la mezcla componentes químicos para mantenerla con un pH de 7. En esta etapa se aplica calor para permitir la licuefacción, en una primera etapa a alta temperatura (120150ºC) y luego a temperatura más baja (95ºC). Estas altas temperaturas reducen los niveles de bacterias presentes en el mosto. 19 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Producción de bioetanol a partir de maíz (vía seca) 3- Sacarificación: La mezcla de maíz y agua, ya cocinado, es enfriado a una temperatura levemente debajo del punto de ebullición del agua- y se agrega una enzima secundaria –glucoamilasa- para convertir las moléculas del almidón licuado en azúcares fermentescibles –dextrosa- mediante el proceso de sacarificación. Las enzimas funcionan como catalizadores para acelerar los cambios químicos. 4- Fermentación: A la mezcla de harina con agua se agrega levadura para fermentar los azúcares – cada molécula de glucosa produce dos moléculas de etanol y dos de dióxido de carbono- obteniéndose etanol y anhídrido carbónico. Usando un proceso continuo, el mosto fluirá a través de varias cubas hasta que fermente completamente. En este proceso el mosto permanece cerca de 48 horas fermentando antes que ser destilado. El etanol conserva mucha de la energía original del azúcar, lo cual explica que sea un excelente combustible. 20 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Producción de bioetanol a partir de maíz (vía húmeda)
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Pasos de la molienda húmeda Sintéticamente los pasos del proceso son los siguientes: 1. Almacenamiento y limpieza 2. Maceración del grano de maíz 3. Molienda gruesa (obtención del germen) 4. Molienda fina (obtención del gluten feed) 5. Separación del gluten y almidón (obtención del gluten y del almidón) 6. Hidrólisis del almidón. 22 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Molienda húmeda La molienda húmeda se inicia con el macerado del maíz en agua caliente en un proceso llamado empapamiento. Luego se retira el agua y los núcleos ablandados pasan a los molinos y a separadores donde se separa el germen, extrayéndose de éste aceite. Los otros constituyentes –almidón, gluten y fibras- se muelen y pasan a través de separadores donde se retira la fibra, se separa almidón y gluten. Luego se lava y seca el almidón que puede ser usado para su fermentación. 23 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Molienda húmeda La operación de molienda húmeda es más compleja porque el grano debe ser separado en sus componentes, con la ventaja que, al lograr una separación más efectiva de los mismos se obtienen subproductos de mayor valor agregado. En la molienda húmeda solamente el almidón se fermenta mientras en la molienda seca se fermenta el grano molido entero. 24 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Molienda húmeda Proceso capital intensivo, que procesa gran volumen de granos. En general, la capacidad instalada es de varias centenas de millones de litros de etanol/año, mientras que las plantas que trabajan bajo el proceso de molienda seca a lo sumo disponen de una capacidad de producción anual de 230 millones de litros. 25 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Producción de bioetanol a partir de maíz Subproductos Los subproductos del proceso son: Anhídrido carbónico y granos destilados (DDGS). Se obtiene CO2 en grandes cantidades durante la fermentación. Hay plantas que lo recogen recuperando el alcohol arrastrado, lo comprimen y venden para su uso como gasificante de bebidas o como hielo seco. Los granos destilados, húmedos y secos –DDGS-, se obtienen del residuo de destilación, el que se centrifuga para separar los sólidos suspendidos y disueltos. Se evapora la parte líquida para concentrar sólidos disueltos, se mezcla y se envía luego a un sistema de secado para reducir contenidos de agua a un 10-12%. Los DDGS contienen el núcleo del maíz menos el almidón. 26 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Rendimiento de los co-productos en la molienda húmeda
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Fermentación etílica: definición • La
fermentación es un proceso en el que los microorganismos catalizan la transformación de un sustrato deseado (Maxon). • Fermentación
es todo proceso microbiológico que produce una determinada sustancia (Gaden).
• Fermentación
es un proceso metabólico caracterizado por la oxidación incompleta (Jorgensen). • Fermentación es un proceso metabólico en el
que por la actividad de enzimas producidas por microrganismos, se producen transformaciones químicas en sustancias orgánicas ( Underkoffler y Hickey; Prescott y Dunn.) 28
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Fermentación • Para producir Bioetanol por fermentación a partir de cualquier materia prima, hace falta el trabajo de MICROORGANISMOS. • Los microorganismos son organismos microscópicos unicelulares, visibles únicamente al microscopio.
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Microorganismos productores de bioetanol
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Zymomonas mobilis • Bacilos Gramnegativos • Móviles (1 a 4 flagelos) • Anaeróbica facultativa, aunque la aireación disminuye el rendimiento en etanol • Tolera ciertos niveles de etanol • pH óptimo 7,3 (a 30°C) • Arreglo celular pleomórfico (cadenas, rosetas, filamentos) • Ausencia de esporas, de capsulas y de constituyentes de almacenamiento celular • Colonias en medio estándar: brillantes, blancas o cremas, 2 mm de diámetro, borde regular y aroma “frutado” • Catalasa positiva y oxidasa negativa Efecto Pasteur ausente • Metaboliza: glucosa, fructosa y sacarosa 31 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Zymomonas mobilis
Mg. Mg. Ing. Ing. Haim Haim –– Ing. Ing. Polti Polti –Mg. –Mg. Ing. Ing. Migone Migone
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Saccharomyces cerevisiae • Hongo unicelular • Dimensiones: 4-8 micras • Tiempo de duplicación: 1-3 horas • Tolera ciertos niveles de etanol • pH óptimo: 4,5-5,5 • Temperatura de proliferación: 25-30°C • Colonias color crema o blanco, de apariencia húmeda y brillante, bordes irregulares • Producción de ascosporas • Osmotolerante • Metaboliza una gran cantidad de compuestos carbonados como ser: D-glucosa, Dgalactosa, manosa, fructosa, sacarosa, maltosa, melobiosa, melecitosa, trealosa, maltotriosa, desoxirribosa, Dmanitol, D-glucitol… 33
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Saccharomyces cerevisiae
34 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Cinética del crecimiento de un cultivo Células totales
1. Fase Lag 2. Fase de crecimiento acelerado. 3. Fase de crecimiento exponencial. 4. Fase de desaceleración del crecimiento. 5. Fase estacionaria. 6. Fase de declinación. 35 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Fases de crecimiento de la levadura (1/4) 1. FASE LAG: Adaptación, reconstitución enzimática, degradación macromolecular, etc. Depende de: • Cepa de levadura. • Edad del cultivo antes de su transferencia al medio. • Composición del medio de cultivo del que proviene y del nuevo. 2 . FASE DE CRECIMIENTO ACELERADO: Aumento gradual de la velocidad de multiplicación celular. 36 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Fases de crecimiento de la levadura (2/4) 3. FASE CRECIMIENTO EXPONENCIAL: Aumento exponencial del número de levaduras. Cada célula se divide a intervalos constantes de tiempo. Se caracteriza por: • Aumento exponencial del número de células. Intenso metabolismo celular. • Gran cantidad de productos de excreción, metabolitos intermediarios, temperatura y otros factores que alteran rápidamente la composición del medio. • El tiempo de esta fase es controlado por la composición y estado físico del medio y depende del número de células por unidad de volumen y de la acumulación de metabolitos y productos finales (inhibidores). • La cantidad de inóculo no influye en el tiempo de generación, pero si puede retardar la fase exponencial. 37 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Fases de crecimiento de la levadura (3/4) 4. FASE ESTACIONARIA: El número de células permanece casi constante por un período de tiempo. Hay bajo consumo de energía, se mantiene la viabilidad celular hasta el agotamiento de los nutrientes. Es influenciada por : • Agotamiento de nutrientes del medio. • Acumulación de productos finales tóxicos.
38 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Fases de crecimiento de la levadura (4/4) 5. FASE DE DECLINACIÓN: El número de células que muere excede a las células nuevas y es función de: • Composición del medio (Agotamiento del medio, acumulación de productos finales, etc) • Condiciones físicas y químicas del medio (pH, temperatura, etc.)
39 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Objetivos de las levaduras Como cualquier especie, su principal objetivo es el de crecer y reproducirse para perpetuar la especie. Para ello presenta dos vías de metabolismo: • Fermentación • Respiración
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Metabolismo de las levaduras • RESPIRACIÓN: Oxidación biológica de sustratos orgánicos que involucran un sistema multienzimático y el transporte de electrones por la cadena respiratoria, resultando en la formación de H2O. • FERMENTACIÓN: Reacciones en las que compuestos orgánicos actúan como sustratos y como agentes de oxidación, en una secuencia ordenada de reacciones enzimáticas. 41 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Metabolismo de las levaduras • El crecimiento en anaerobiosis obliga a la levadura a producir etanol y CO2. • La elección de etanol fue fruto de billones de años de evolución , permitiendo a la levadura mayor competitividad frente a otros microorganismos (Acción antiséptica). • Transformando el azúcar en alcohol la levadura obtiene energía (ATP) y el material necesario para su crecimiento y supervivencia. • El alcohol y el gas carbónico son productos de excreción, sin utilidad metabólica para la levadura en anaerobiosis. 42
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Efecto Pasteur
El Efecto Pasteur ocurre cuando microorganismos facultativos cultivados anaeróbicamente se exponen al oxígeno verificándose una inhibición del consumo de glucosa. Refleja el incremento de rendimiento energético obtenido por el metabolismo respiratorio de la glucosa comparándolo con el obtenido por la fermentación de la glucosa, debido a que ésta es oxidada sólo en parte. Por lo tanto, los microorganismos que funcionan en anaerobiosis degradan rápidamente muchas moléculas de alimento y con ello compensan la pequeña cantidad de energía que obtienen de cada una de ellas. Para realizar la misma cantidad de trabajo que un microorganismo aerobio, uno anaerobio necesita veinte veces la cantidad de glucosa que utiliza éste, lo que resulta beneficioso desde el punto de vista biotecnológico, porque la cantidad de producto (etanol) es mucho mayor. En el caso de las levaduras, el Efecto Pasteur implica que las mismas pueden metabolizar azucares tanto en anaerobiosis como aerobiosis. Sin embargo, para un mismo rendimiento celular, consumirá mayor cantidad de azucares en anaerobiosis. Esto implica, que el rendimiento de fermentación es menor en aerobiosis. 43 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Cualidades de las levaduras • Actividad
Cantidad de azúcar fermentado en la unidad de tiempo • Poder fermentativo
Máximo porcentaje de fermentación ha cesado.
alcohol
formado
cuando
la
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Modelo cinético de la fermentación alcohólica
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Parámetros a tener en cuenta en el crecimiento de un cultivo • Composición química del medio (por ej. Acidez)
• Temperatura • Suplemento de nutrientes •Aireación y agitación • Constitución y estadío de desarrollo de los microorganismos
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¿Cómo compatibilizar los objetivos de la levadura con el proceso de producción de bioetanol? •
Ajustando objetivos de producción de etanol, como biomasa y etanol, a las necesidades de las levaduras.
•
Minimizando las intensidades de los “estrés” causados por el proceso fermentativo: - Aluminio, sulfito y exceso de cationes como: K+ y Ca++. - Temperaturas elevadas - Concentraciones elevadas de etanol - Acidez (pH) - Presión osmótica (sustrato y sales) - Contaminación bacteriana
•
Utilizando cepas de levaduras seleccionadas para el proceso fermentativo.
•
Adecuando las necesidades de las levaduras en relación a los nutrientes minerales: N, P, K, Mg, Mn, etc. 47
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Efecto de la temperatura en las levaduras La temperatura tiene una influencia directa sobre la fermentación pues favorece la multiplicación bacteriana e intensifica la floculación. Arriba de los 35°C, afecta el desempeño de las levaduras, reduciendo la viabilidad de las mismas y disminuyendo el rendimiento de la fermentación.
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Principales contaminaciones microbiológicas del proceso fermentativo Bacterias de los siguientes géneros: Achromobacter Flavobacterium Micrococcus Escherichia coli Leuconostoc mesenteroides y dextranium Aerobacter 49 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Efecto de la contaminación microbiológica del proceso fermentativo Las bacterias mencionadas: • Consumen azucares excretando compuestos tóxicos para las levaduras (ej. Ácidos grasos) o sustancias que producen grumos (floculación del fermento) y espumas resistentes • Reducen la viabilidad y/o inhiben las levaduras, produciendo glicerol • Tienen un rápido desarrollo y elevada tolerancia a la temperatura (optima≈45°C) y resistencia a pH bajo (por ser acidófilas)
η gral. de la fermentación 50 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Condiciones en que debe realizarse el proceso de fermentación para definirlo como bien conducido N° BACTERIA/ML
JUGO MIXTO N° BACILO/ML
JUGO CLARIFICADO
N°BACTERIAS TOTALES ART (AZUCARES REDUCTORES TOTALES) ACIDEZ BACTERIAS TOTALES
MOSTO
TEMPERATURA % ALCOHOL % LEVADURA BROTAMIENTO VIABILIDAD DE LEVADURA % ALCOHOL % LEVADURA
LEVADURA TRATADA BACTERIAS TOTALES
0-105 - MUY BUENO 1-9.106 - BUENO 1-9.107 - REGULAR +108 – MUY MALO -105 - BUENO 106 - REGULAR 107 – MUY MALO ARRIBA DE 104 - MUY MALO 17-19% - NORMAL EN CUBA ABIERTA HASTA 20% - NORMAL EN CUBA CERRADA HASTA 2 GR H2SO4/LITRO 0-105 - MUY BUENO 1-9.106 - BUENO 1-9.107 - REGULAR +108 – MUY MALO 28-30°C- NORMAL 7,5-8,5 % - NORMAL EN CUBA ABIERTA 8,6-9,5 % - NORMAL EN CUBA CERRADA 9-12 % - NORMAL 10 A 20%- IDEAL 90% O MÁS- OPTIMO HASTA 3,5% - NORMAL HASTA 25% - BAJO 26-35% - NORMAL 0-105 - MUY BUENO 1-9.106 - BUENO 1-9.107 - REGULAR +108 – MUY MALO
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Calculo del rendimiento de fermentación El rendimiento de la fermentación alcohólica puede calcularse de dos maneras: • Por balance de masas • Teniendo en cuenta los subproductos de la fermentación
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Calculo del rendimiento de fermentación por balance de masas (1/2) C6 H12 O6 Glucosa (180 g)
2 C2 H5 OH + 2CO2 + 26 kcal Etanol (92g) + Dióxido Carbono (88g)
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Calculo del rendimiento de fermentación por balance de masas (2/2) Por lo tanto el Rendimiento de fermentación (RF) es:
APF RF = --------------------------------- x 100 0,6475 x ART en el mosto Donde: APF= volumen de alcohol producido en la fermentación (ml etanol) ART= Azucares reductores totales (gART)
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Calculo del rendimiento de fermentación por subproductos Teniendo en cuenta que: Azúcar = Etanol + CO2 + Masa celular + glicerol + Ácidos + ART residual + Otros productos El rendimiento de fermentación por subproductos se calcula:
Donde: • KL es la producción de levaduras • KG es la producción de glicerol • - KAC es la producción de ácidos • - KARTres son los azucares infermentescibles 55 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Destilación La destilación es la separación de los constituyentes de una mezcla líquida por vaporización parcial de la misma y la recuperación separada del vapor y del residuo. Los constituyentes mas volátiles de la mezcla inicial se obtienen en concentración creciente en el vapor; los menos volátiles en concentración mayor en el residuo líquido. La separación es más o menos completa según las propiedades de los componentes y el procedimiento seguido en la destilación.
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Destilación
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Presión de vapor Presión de vapor de un líquido es la presión de su vapor a una temperatura dada, en la cual las fases vapor y líquido de la sustancia pueden existir en equilibrio. Si se mantiene constante la temperatura y se comprime el vapor sobre el líquido puro, tendrá lugar una condensación hasta que no se desprenda nada de vapor. Recíprocamente, si se ensancha el espacio ocupado por vapor, se produce evaporación.
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Fracción molar Unidad química para expresar la concentración de un componente en una solución. Expresa la proporción en que se encuentran sus moles con respecto a los moles totales de solución, resultado de sumar lo moles de todos los componentes de la misma. Se calcula:
xi = ni / nt < 1 Donde ni es el número de moles del soluto, y nt el número total de moles en toda la solución (tanto de solutos como de disolvente). (Recordar que el mol es el peso molecular expresado en gramos)
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Volatilidad Relativa: definición Medida del grado de separación posible y función de las presiones de vapor de cada componente. Es función además de las concentraciones de cada fase (vapor y líquido).
La separación por destilación es posible sólo si α > 1
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Destilación Fraccionada Proceso de separación de líquidos basado en la diferencia de sus puntos de ebullición en la mezcla de la que van a ser separados. Mediante vaporización y condensación sucesiva del líquido mezcla en una columna de fraccionamiento, se separarán los productos ligeros dejando un residuo líquido constituido por componentes de mayor punto de ebullición. La destilación se lleva a cabo en forma tal que se evite cualquier desintegración. Es el proceso básico que tiene lugar en una refinería. Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Destilación de una mezcla binaria
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Relación de equilibrio entre los gases y líquidos en mezclas de alcohol y agua (a presión atmosférica)
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Configuración general de una columna de destilación
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Sistemas de Destilación • Sistema de 3 Columnas • Sistema Doble Efecto • Sistema Brasilero Clasico • Sistema Praj
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Sistema de 3 Columnas (Destilería Clásica)
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Sistema de 3 Columnas (Destilería Clásica)
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Sistema Doble Efecto
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Sistema Doble Efecto
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Sistema Brasilero Clásico
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Sistema Praj
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Deshidratación
Independientemente del sistema de destilación utilizado, se obtiene un alcohol hidratado. Debido a que se trata de una mezcla azeotrópica, sus componentes no pueden ser separados a través de una simple destilación. A fin de obtener etanol anhidro se lo conduce a una etapa de deshidratación. Existen varios sistemas para realizar dicha deshidratación, los más utilizados son: • Método Azeotrópico o por Solvente: es la tecnología más utilizada en Brasil. Se basa en la adición de un solvente, el cual junto con el alcohol hidratado forma una mezcla azeotrópica ternaria, con punto de ebullición inferior al del bioetanol anhidro. • Tamices Moleculares: En este sistema, el etanol hidratado pasa a través de un equipo que contiene un material adsorbente, el cual tiene mayor afinidad por las moléculas de agua. De esta manera, el agua queda retenida mientras que el etanol aumenta su concentración a medida que pasa a través del mismo.
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Deshidratación con solvente Agua enfriamiento
Solvente Agua de enfriamiento Reposición de solvente
Etanol 96 °
A
Decantador
B
0,78 kg/l etanol Vapor 1,5 kg/l etanol
Agua de enfriamiento
Agua Etanol Anhidro
A. Columna deshidratadora Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
B. Columna recuperadora 73
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Deshidratación por tamices moleculares
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Planta deshidratadora con tamices moleculares
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Efluentes de la producción de bioetanol: Vinazas Producción en función del Grado Alcohólico:
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Vinazas: Composición química
(Valores en gramos por litro) Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Aprovechamientos de la Vinaza PROCESOS MICROBIOLÓGICOS • Producción de proteína microbiana. • Producción de biogás por fermentación anaeróbica. OTROS PROCESOS • Incineración previa concentración para obtener energía y sales de potasio. • Concentración para la obtención de fertilizantes. • Uso como elemento de riego y fertilización. • Producción de compost. • Enmienda de suelos salinos-sódicos. 78 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Bioetanol de 2da generación- Alcohol celulósico
Fuente: Ciemat, 2007 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Diseño esquemático de la pared celular de las plantas
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Fuente: Cristina Machado. OLADE-IICA.2010
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Celulosa Es el carbohidrato más abundante en la naturaleza, esta presente en cantidades de 20-40% de la materia seca de todas las plantas superiores. Insoluble en agua, constituida por cadenas lineares que contienen de tres a cinco mil residuos de glucosa unidos y constituye el esqueleto que da soporte a las otras moléculas de la pared celular primaria.
Fuente: Cristina Machado. OLADE-IICA.2010 Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Hemicelulosa Está constituida principalmente por xiloglucanos que contribuyen con aproximadamente 20-25% de los constituyentes de la pared celular primaria. Polisacáridos flexibles, que se ligan característicamente a la superficie de la celulosa. Los xiloglucanos están ligados, en general a microfibrillas de celulosa y lignina por ligamentos cruzados que estabilizan la pared celular. Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Lignina Polímero de alto grado de carbono, es uno de los mayores componentes de algunas paredes secundarias. No está constituido por azúcares y aparece impregnando las paredes celulares de ciertos tejidos, dándoles rigidez, resistencia, cohesividad e hidrofobicidad.
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Resumen
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Etapas en la producción bioquímica de etanol celulósico
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Razones para producir bioetanol a partir de materiales ligno-celulósicos Las razones para utilizar este tipo de materia prima son: • No son fuente de alimentos. • Muchas de ellas son de origen residual • El alcohol producido desde azúcar y almidón no cubre las demandas proyectadas de alcohol combustible • Existen recursos suficientes para sustituir los derivados del petróleo • La reducción de emisiones de gases de efecto invernadero es mayor en el caso de alcohol producido a partir de material lignocelulósico que el producido a partir de azúcar (caña, sorgo azucarero…) o almidón (maíz, sorgo granífero…) Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Problemas para producir bioetanol a partir de materiales ligno-celulósicos Los problemas asociados son: • La conversión de lignocelulosa en biocarburantes es difícil • Actualmente no existen plantas de demostración comerciales • No existe un sistema eficiente de de-polimerización de la celulosa y hemicelulosa a azúcares fermentables • No se ha encontrado la manera de llevar a cabo la fermentación en forma eficiente de productos de hidrólisis, hexosas, pentosas y compuestos inhibitorios • Es necesaria la integración del proceso para minimizar demanda de energía • Se debe realizar una valorización eficiente de los residuos de lignina • Muchos de los procesos avanzados de producción parecen caros y el potencial de futuro para reducirlos es incierto Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Producción de bioetanol en Argentina De acuerdo con el Ministerio de Economía y Finanzas Publicas, en nuestro país funcionan 11 refinerías de bioetanol: • 9 producen a partir de caña de azúcar • 2 a partir de maíz. Localización: • 5 se encuentran en la provincia de Tucumán • 2 en Jujuy • 2 en Salta • 1 en Buenos Aires • 1 en Córdoba Por lo tanto, podría decirse que la producción de bioetanol se concentra mayoritariamente en el noroeste argentino (NOA), región en donde se concentra casi la totalidad de la producción de la caña de azúcar y de desarrollo histórico de la industria azucarera. Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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Localización de la producción de cana de azúcar en el NOA
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Agentes productivos Empresa
Plantas industriales
Propietario y origen
En Tucumán, 3 ingenios con destilería de alcohol (Cía. ATANOR Nacional Azucarera Concepción, Ing. Leales e Ing. Marapa En Jujuy, 1 ingenio con LEDESMA destilería de alcohol y 1 Ledesma; Nacional BIOLEDESMA S.A. planta de bioetanol En Tucumán, 2 ingenios: uno con destilería (Santa AZUCARERA JUAN M. TERÁN Bárbara) y otro no Colombres Cía. Terán; S.A., S.A. SER; ENERGÍAS (Ñuñoroco) y 1 planta de Nacional ECOLÓGICAS DE TUCUMÁN bioetanol; en Jujuy, 1 ingenio (La Esperanza) En Salta, 1 ingenio, 1 SAN MARTIN DE TABACAL; Seabord Corp.; destilería y 1 planta de ALCONOA Estados Unidos bioetanol En Tucumán, 3 ingenios: Grupo Cía. Azucarera CIA AZUCARERA LOS uno con destilería (La Los BalcanesBALCANES; CIA Florida) u los otros no (Cruz KONAVLESA-Ing. BIOENERGÉTICA LA FLORIDA Alta, Aguilares), 1 planta de Aguilares- COVEMAT; S.A. deshidratado Nacional Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
Participación en la producción de azúcar y alcohol etílico
Productos
Azúcar 17,4% Alcohol 16,4%
Azúcar común tipo A; blanco refinado y alcohol
Azúcar 17,3% Alcohol 20,4%
Azúcar común tipo A; blanco refinado; azúcar farmacopea; alcohol etílico y bioetanol.
Azúcar 10,4% Alcohol 6,4%
Azúcar común tipo A; bioetanol
Azúcar 10,0% Alcohol 18.7%
Azúcar común tipo A; azúcar refinada; alcohol etílico y bioetanol
Azúcar 10,0% Alcohol 11,3%
Azúcar; alcohol etílico, bioetanol
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Agentes productivos Empresa
JOSE MINETTI y CIA. LTDA.
AZUCARERA DEL SUR S.R.L; BIO TRINIDAD S.A.
ARCOR
ING. RIO GRANDE S.A.; RIO GRANDE ENERGÍA S.A. LAS DULCES NORTA S.A.; BIOENERGÍA SANTA ROSA S.A. S.A. AZUCARERA ARGENTINA; BIOENERGÍA LA CORONA S.A.
Participación en la Plantas industriales Propietario y origen producción de azúcar Productos y alcohol etílico Flia. Figueroa Minetti En Tucumán, 2 ingenios con y Grupo Azucarero Azúcar 8,7% Azúcar común tipo A; azúcar destilería (Bella Vista y La Tucumano Ruiz; Alcohol 2,7% refinada; alcohol; melaza Fronterita) Nacional En Tucumán, 1 ingenio con Sixto Annsonaud; Azúcar 5,9% Azúcar común tipo A; alcohol; destilería (La Trinidad), 1 Nacional Alcohol 7,3% bioetanol planta de bioetanol El azúcar producido es consumido por la empresa En Tucumán, 1 ingenio (La Grupo Arcor; Nacional Azúcar 5,7% para la elaboración de dulces, Providencia) postres, golosinas, galletitas, entre otros. En Jujuy, 1 ingenio con Azúcar común tipo A; azúcar Azúcar 3,8% destilería (Río Grande), 1 s/d; Nacional crudo de exportación; alcohol Alcohol 3,0% planta de bioetanol etílico, bioetanol En Tucumán, 1 ingenio con Las Dulces Norte S.A.; Azúcar 3,2% destilería (Santa Rosa), 1 Nacional Alcohol 5,1% planta de bioetanol En Tucumán, 1 ingenio con S.A. Azucarera Azúcar 2,7% Azúcar común tipo A; alcohol destilería (La Corona), 1 Argentina; Nacional Alcohol 4,1% etílico; bioetanol planta de bioetanol Datos correspondientes a 2010
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Problema Una fábrica de Bioetanol de melazas y/o mieles cuenta con cubas de 120.000 l, las que trabajan con 100.000 l como volumen total. El pie con que se inicia la fermentación es el 15 % del volumen útil y contiene 4 % de bioetanol. Se alimenta la cuba con un mosto que tiene 16.188 kg de Azúcares Reductores Totales. Si los rendimientos de fermentación y destilación en su conjunto son de 84,7 y 98 % respectivamente, determine los litros de alcohol producidos. Cada cuba demora 8 hs en la fermentación y 4 horas en las tareas de carga, descarga y limpieza. Determine cuantas cubas son necesarias para una producción de 5.000 m3 /mes, considerando que hay una pérdida de tiempo adicional del 4,2 % en el mes.
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Solución
Teniendo en cuenta el rendimiento de fermentación y destilación en su conjunto,
Por lo tanto la cantidad de alcohol producida es:
Cantidad de cubas necesarias para producir 5.000 m3/mes: 8.7 m3 ----- 1 cuba 5.000 m3 ----- 575 cubas Tiempo necesario para obtener los 5.000 m3 = 575 x12h x1,042= 7.190 h Cantidad de cubas necesarias = 7.190 h ----- 1 cuba 20 h/mes ----- 9.98 ≈10 cubas Respuesta: La cantidad de alcohol producido bajo las condiciones descriptas es 8701,1 litros. Y, se necesitan 10 cubas para producir 5.000 m3 /mes. Mg. Ing. Haim – Ing. Polti –Mg. Ing. Migone
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