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• RAFAEL OCTAVIO SANCHEZ

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1 Introducción Hoy en día la sustitución de combustibles líquidos provenientes de fuentes fósiles en motores de combustión por aquellos provenientes de recursos renovables, es un hecho en pleno desarrollo a nivel mundial, gracias al aumento de la demanda de energía, la escasez de petróleo y el impacto de éste en el calentamiento global. En los últimos años, en México se ha destacado la urgencia de realizar reformas estructurales que permitan un mayor desarrollo para enfrentar las necesidades que la globalización y la economía traen consigo. El sector energético es uno de los campos en los que se resalta la importancia de efectuar cambios y mejoras [1].

Combustibles producidos con materias primas renovables como el etanol están siendo considerados como una alternativa para reemplazar la gasolina, debido a que promete ciertas ventajas ambientales en el ámbito de la emisión de gases efecto invernadero (GEI).

1.1 Etanol El etanol es un combustible del alto rendimiento en motores de combustión interna. Es un líquido, que ofrece grandes ventajas en términos de almacenaje, entrega, y compatibilidad infraestructural. No obstante con ser una importante materia prima para la industria (química, farmacéutica, agroalimentaria, etc.), juega un papel muy importante en la preparación de carburantes para vehículos automotores. El etanol como combustible aumenta el índice de octano, por lo tanto, se reduce su consumo y las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos de un 10 al 15% [1].

1-1

1.1.1 Definición de bioetanol

El bioetanol se define como el etanol producido a partir de la fermentación de materias primas ricas en carbohidratos (azúcar, almidón, celulosa, etc.). Entre estas materias primas se encuentran las frutas, vegetales, cereales, tubérculos y en general, materias primas provenientes de lignocelulosas o de residuos orgánicos [1].

1.1.2 Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol

El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor picante. También se conoce como alcohol etílico y sus vapores son más pesados que el aire.

Figura 1-1: Formula estructural del etanol.

Gracias a sus propiedades el etanol se utiliza industrialmente para la obtención de acetaldehído, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa, entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos, plásticos, lacas,

perfumes,

cosméticos,

etc.

También

se

utiliza

en

mezclas

anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y patológicos [2]. Las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol se encuentran compiladas en la Tabla 1-I.

1-2

Tabla 1-I: Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol. Propiedad Formula

C2H6O, CH3CH2OH

Peso molecular

46.07 g/mol

Composición

C: 52.24%; H: 13.13% y O: 34.73% (% mol)

Estado de agregación

Liquida

Color

Incoloro

Punto de ebullición

78.3ºC

Punto de fusión

-130ºC

Índice de refracción (a 20ºC)

1.361

Densidad

0.7893 a 20ºC.

Presión de vapor

59 mm de Hg a 20ºC

Densidad de vapor

1.59 g /mL

Temperatura de ignición

363ºC

Punto de inflamación (Flash Point)

12ºC ( al 100%), 17ºC (al 96%), 20ºC (al 80%), 21ºC (al 70%), 22ºC (al 60%), 24ºC (al 50%), 26ºC (al 40%), 29ºC (al 30%), 36ºC (al 20%) y 49ºC (al 10%)

Límites de explosividad

3.3 - 19%

Punto de congelación

-114.1ºC

Calor específico (J/gºC)

2.42 (a 20ºC)

Temperatura de autoignición

793ºC

Conductividad térmica (W/mK)

0.17 (a 20ºC)

Momento dipolar

1.699 debyes

Constante dieléctrica

25.7 (a 20ºC)

Solubilidad

Miscible con agua en todas proporciones, éter, metanol, cloroformo y acetona.

Temperatura crítica

243.1ºC

Presión crítica

63.116 atm

Volumen crítico

0.167 L/mol

Tensión superficial (dina/cm)

231 (a 25ºC)

Viscosidad (cP)

1.17 (a 20ºC)

Calor de vaporización en el punto normal de ebullición (J/g)

839.31

Calor de combustión (J/g)

29677.69 (a 25ºC)

Calor de fusión (J/g)

104.6

Acidez (pKa)

15.9

Fuente: [2]

1-3

1.2 Procesos de obtención de etanol El etanol se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico concentrado y sometiéndolo a una posterior hidrólisis, pero de una manera natural, es obtenido a través de fermentación, por medio de levaduras a partir de materias primas que son ricas en carbohidratos [2]. Las principales materias primas para la producción de etanol son aquellas que contengan un alto contenido de sacarosa, almidón o celulosa. La fermentación alcohólica es un proceso bioquímico que permite convertir azúcares en alcohol y dióxido de carbono. La conversión se representa mediante la reacción:

𝐶6 𝐻12 𝑂6 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎

𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎

2𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

+

2𝐶𝑂2 𝐷𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜

(1)

Las principales responsables de esta transformación son las levaduras. La levadura fermentará el azúcar en alcohol y dióxido de carbono solo en la ausencia de aire, pero necesita oxigeno para crecer. Ésta produce alcohol etílico y dióxido de carbono de azucares simples como la glucosa y la fructosa. Saccharomyces cerevisiae, es la especie de levadura usada con más frecuencia. En condiciones donde exista un exceso de oxigeno el alcohol puede ser oxidado y convertido en acido acético. Es por esto que durante el proceso de fermentación es necesario montar una trampa de agua en el sistema, para evitar la entrada de oxigeno, y poder monitorear el comportamiento de las levaduras.

El producto de la fermentación, se somete a un proceso de purificación. Para poder utilizar el etanol como combustible mezclándolo con gasolina, es necesario eliminar el agua hasta alcanzar una pureza del 99.5 al 99.9% v/v. Tradicionalmente, la separación del sistema etanol-agua se hace con destilación azeotrópica, usando benceno, pentano o dietil éter como solvente, o mediante destilación extractiva empleando etilenglicol o gasolina [3].

1-4

1.2.1 Métodos más comunes

Los métodos más comunes para la producción de bioetanol son divididos en bases comerciales y por dos vías tecnológicas, utilizando materias primas dulces, directamente fermentables, como la caña de azúcar y la remolacha azucarera, o materias primas amiláceas, como el maíz y el trigo, cuyo almidón debe ser convertido en azúcar (sacarificado) antes de la fermentación, como se esquematiza en la Figura 1-2.

Biomasa azucarada (caña, remolacha) Extracción por presión o difusión

Biomasa amilácea (maíz, trigo)

Biomasa celulósica (pasto, bagazo)

Trituración

Trituración

Hidrólisis enzimática

Hidrólisis ácida y/o enzimática

Solución azucarada fermentable

Fermentación

Destilación

Bioetanol

Figura 1-2: Vías tecnológicas para la producción de etanol [4].

Una tercera vía, es utilizando la biomasa disponible en materiales como el bagazo y la paja, hidrolizando las cadenas celulósicas por medios enzimáticos y produciendo una solución fermentable de azúcares, presentando gran interés gracias al bajo costo de la materia prima [4]. La alternativa de emplear residuos lignocelulósicos en la producción de etanol, constituye hoy día una posibilidad altamente prometedora por su amplia disponibilidad en el mundo. La existencia

1-5

en diversos países latinoamericanos de abundantes recursos lignocelulósicos, justifica la dedicación por estas naciones por desarrollar y adaptar tecnologías que tiendan a utilizarlos integralmente [5].

1.3 Etanol como combustible El etanol puede utilizarse como combustible, puro o mezclado con gasolina en cantidades variables para reducir el consumo de derivados del petróleo y disminuir las emisiones GEI a la atmosfera, en la Tabla 1-II se pueden apreciar los porcentajes de reducción de estas emisiones para etanol producido con diferentes materias primas, así como la relación energética, es decir la relación entre la energía producida y la demanda de energía directa e indirecta para producir tal energía. El porcentaje de emisiones evitadas es una comparación con las emisiones de GEI a la atmosfera por la gasolina.

Tabla 1-II: Diferentes materias primas para la producción de bioetanol. Materia Prima Caña

Relación de energía 9.3

Emisiones evitadas 89%

Maíz

0.6 – 2.0

-30%

Trigo

0.97 – 1.11

19-47%

Remolacha

1.2 – 1.8

35-56%

Mandioca

1.6 – 1-7

63%

Residuos lignocelulósicos

8.3 – 8.4

66-73%

Fuente: [4]

La flexibilidad de este combustible radica en que puede ser utilizado en vehículos con motores de combustión interna no modificados (los cuales están garantizados para utilizarse con mezclas bajas de etanol), motores flexibles de combustión interna (capaces de usar etanol, metanol, y gasolina en cualquier proporción), motores encendidos por compresión, motores de combustión

1-6

interna especializados (optimizados para aprovechar

las características

particulares de los alcoholes), y celdas de combustible [6].

Una aplicación importante del etanol, es su uso como aditamento para oxigenar la gasolina estándar, como reemplazo para el metil ter-butil éter (MTBE), el cual es un producto con el que se reformula la gasolina, permitiendo reducir las emisiones de CO2. Esta acción es muy importante ya que el MTBE, siendo un compuesto estable, de baja degradación y soluble en agua, se convirtió en un contaminante de aguas subterráneas, y a su vez, es clasificado como un potencial carcinógeno [1].

1.3.1 Diferentes mezclas utilizadas

El etanol se puede utilizar como combustible de motor en varias formas: mezclas de bajo nivel (≤ al 22% v/v de etanol en gasolina), mezclas de alto nivel (≥ al 85% v/v de etanol en gasolina), puro (sin ninguna fracción de gasolina pero generalmente conteniendo agua en cantidades ≤ al 20% v/v) [6]. En la Tabla 1-III se presentan los diferentes tipos de mezclas usadas como combustibles.

1.3.2 Comparación entre etanol y gasolina

Los combustibles fósiles son no renovables; su producción y uso dan lugar a una gran cantidad de emisiones de GEI. Sin embargo, la gasolina es atractiva con respecto a su precio, disponibilidad, la facilidad de uso, sus propiedades como combustible (ver Tabla 1-IV y Tabla 1-V), el funcionamiento del vehículo y el hecho de que es apoyada por la infraestructura actual.

1-7

Tabla 1-III: Tipos de mezclas combustibles que incluyen etanol. Combustible

Descripción Mezclas de hasta un 5% de etanol en gasolina sin modificaciones en el motor ni aviso a los usuarios. Mezclas blandas de gasolina con 5 a 20% de etanol (E5 a E20). Tienen

Gasolinas oxigenadas

un efecto positivo en la combustión y reduce emisiones de CO 2 no siendo necesaria la modificación de motores. Mezclas de gasolina con un 85% de etanol. Se precisan modificaciones en motores ajustando el sistema de encendido. Mezclas de hasta 10% (E10) de etanol en gasolina: sistema convencional de motor de gasolina con ligeras adaptaciones.

Gasohol

Mezclas de alto contenido de etanol donde es necesario usar motores adaptados.

ETBE (Etil terbutil éter) E100/E95

Producto muy similar a la gasolina y producible en plantas donde se produce MTBE. Etanol casi puro deshidratado o hidratado respectivamente.

Fuente: [7]

Tabla 1-IV: Propiedades del desempeño de etanol y gasolina.

Propiedad Contenido energético Calor de vaporización Temperatura mínima de flama Volumen relativo de productos de combustión Número de octano

Valor relativo de etanol a gasolina 0.65-0.69

2.3

0.976 1.07

1.15

Impacto cualitativo Menos kilómetros por litro. Mayor cantidad de aire entra al cilindro. Incrementa potencia. Disminuye requerimientos de enfriamiento Mayor eficiencia en motores especiales. Incremento en el trabajo disponible por la expansión de los gases. Permite incrementar el factor de compresión y por lo tanto mayor potencia y eficiencia.

Impacto en la eficiencia térmica (%) -0.9

No determinado No determinado 7

6 a 10

Fuente: [6]

1-8

Tabla 1-V: Comparación entre propiedades de etanol y gasolina. Propiedad Gravedad especifica

Etanol 0.77

Gasolina 0.72

Densidad Energética

20000 MJ*/L

32200 MJ/L

27.4 MJ/kg

44.7 MJ/kg

Entalpía menor de combustión *Megajoule Fuente: [8]

Contrariamente el etanol es producido a partir de fuentes renovables. Si el combustible y la materia prima utilizados para la producción del etanol, son producidos usando combustibles renovables, la producción y la combustión de éstos resultara libre de emisiones netas de CO2. El carbono liberado como CO2 en la combustión será reutilizado durante el crecimiento de la materia prima para la producción de etanol (plantas, por medio de la fotosíntesis); reduciendo las emisiones de GEI [9]. En la Tabla 1-VI se puede observar un resumen de las ventajas y desventajas de utilizar etanol como combustible.

1.3.3 Energía necesaria para producir etanol y gasolina

Para algunos combustibles existe una buena correlación entre el consumo de energía requerido para la producción del combustible y la cantidad de emisiones de GEI. Los biocombustibles son diferentes, ya que una parte substancial del ciclo de vida de éstos no está relacionada con el uso de energía (por ejemplo, el tiempo de cultivo de la materia prima), pero casi todo el CO 2 que se emite a la atmosfera cuando éste es quemado, las plantas lo utilizaran de nuevo para crecer. En la Tabla 1-VII se presenta la intensidad energética del ciclo de vida de la gasolina y el etanol producido a partir de celulosa y maíz, el objetivo de esta tabla es comparar la relación energética que existe en cada una de las etapas para la producción de estos combustibles. Como se puede observar el valor más alto de intensidad energética lo tiene el etanol producido a partir de celulosa pero cabe mencionar que los procesos de producción de

1-9

etanol a partir de esta materia prima en la actualidad siguen en desarrollo para lograr optimizar estas cifras.

Tabla 1-VI: Ventajas y desventajas del uso del etanol como combustible. Ventajas

Desventajas

Reducción de emisiones de NOx, CO y HC

Menor poder calorífico que la gasolina

Aumento del octanaje de las gasolinas

Pérdida de potencia del motor

Creación

de

nuevos

mercados

para

productos agrícolas

Problemas por evaporación en altitud y a elevadas temperaturas Dificultades de arranque en frío Incremento de la corrosión en algunas partes metálicas Mayor costo que los combustibles fósiles

Fuente: [7]

Tabla 1-VII: Intensidad energética del ciclo de vida de la gasolina y etanol.* Combustible

Gasolina

Etanol

Etanol

Materia Prima Dispensación del combustible

petróleo 0.0018

madera/pasto 0.0028

Maíz 0.0028

Distribución del combustible

0.0073

0.0150

0.0135

Producción del combustible

0.1520

2.1231

0.5095

Transmisión de materia prima

0.0111

0.0194

0.0285

Recuperación de materia prima

0.0484

0.0402

0.0849

NA

0.0789

0.1888

0.2206

2.2794

0.8280

Manufactura de agregados químicos (pesticidas) Total de energía requerida *MJ invertidos/MJ producidos Fuente: [8]

En la Figura 1-3 se presenta una gráfica comparativa del consumo de energía no renovable para la elaboración de E85 (85% etanol) a partir de diferentes materias primas. Las cifras representan la cantidad de MJ (megajoule) de energía no renovable utilizada para la producción de gasolina o etanol que deberá ser suministrada a un automóvil para que éste recorra un km de 1-10

distancia. La energía no renovable necesaria para producir gasolina es mucho mayor que la necesaria para producir etanol independientemente de la materia prima de la cual provenga, como se aprecia al comparar los 3.63 MJ de energía no renovable/km necesarios para producir gasolina con energía requerida para producir etanol a partir de maíz, pastos y arboles.

Figura 1-3: Consumo de energía no renovable para la elaboración de E85 [9].

1.3.4 Emisión de GEI en la producción de etanol y gasolina

El impacto del bioetanol en la producción de GEI es muy significativo ya que el sector de transportación es el mayor contribuyente a la emisión de éstos, ocupando un tercio de la cantidad total de gases emitida.

La más grande

ventaja que se le atribuye al bioetanol es su baja emisión de GEI, sobre todo

1-11

cuando es comparado con las emisiones de otros combustibles utilizados en transportación. Esto se debe principalmente a que la materia no fermentable y los residuos sólidos resultantes del proceso de obtención del etanol, pueden ser quemados o gasificados para proveer todo el calor y la energía necesaria para la producción del mismo [10].

Figura 1-4: Emisiones totales de GEI en diferentes mezclas de etanol [9].

En la Figura 1-4 se puede observar que por cada kilómetro recorrido usando combustibles E10, E85 y E100, el total de emisiones de GEI baja 17.25, 200.23 y 254.13 g de CO2/km respectivamente. En el caso del combustible E100 hay una reducción de 106% en comparación con los gases emitidos cuando un vehículo recorre 1 km usando gasolina como combustible [9].

El ciclo de vida de emisiones de GEI en g de CO2 por km recorrido en un automóvil que utiliza E85 es menor en un 57% que aquellos que utilizan gasolina como se puede observar en la Figura 1-5. La mayoría de las emisiones en los

1-12

dos casos corresponde al CO2. Las emisiones asociadas con el combustible E85 están relacionadas en su mayoría con la producción y la combustión de la fracción que corresponde a la gasolina en la mezcla del combustible, el uso de fertilizantes y herbicidas durante el crecimiento de la cosecha, de las actividades agrícolas y del transporte. Las emisiones de GEI asociadas con la gasolina se deben a la combustión y al desprendimiento de carbono, el cual aumenta la concentración de CO2 en la atmosfera.

Figura 1-5: Ciclo de vida de emisiones de GEI en automóviles [11].

1.4 Materias primas de las cuales se ha obtenido etanol Existen una gran variedad de materias primas con las cuales se ha producido etanol, ya sea industrial o experimentalmente. El primer programa masivo de energías renovables a nivel mundial de producción de bioetanol a

1-13

partir de caña de azúcar, se inició en Brasil en 1975. Programas similares se han iniciado en Austria, Canadá, Francia, Alemania, España, Suecia y Estados Unidos [1]. En este último el 95% del bioetanol se obtiene a partir del maíz el resto es producto de la fermentación de trigo, cebada, sorgo, suero del queso, y residuos de bebidas, y en Francia a partir de remolacha y trigo [12].

El hecho de que se utilicen las materias primas antes mencionadas pone en riesgo el abastecimiento de productos alimenticios. Si se desean aprovechar las ventajas ambientales del etanol producido a partir de biomasa es necesario encontrar materias primas que no comprometan el abastecimiento de alimentos a la humanidad.

Tabla 1-VIII: Plantas productoras de etanol a partir de celulosa. Localización Ottawa, Canadá

Materia prima Pedacería de madera

Ottawa, Canadá

Paja de trigo

Muscle Shoals, AL, EUA

Madera

Fayetteville, AR, EUA

Madera blanda y corteza

Golden,CO, EUA

Desechos de maíz

Aberdeen, MS, EUA

Residuos de madera y paja de arroz

Izumi, Japón

Pedacería de madera

Pirassununga, Brasil

Gabazo

Ichikawa, Chiba, Japón

Residuos de madera

Ornskoldsvik, Suiza

Aserrín

Ft. Lupton, CO, EUA

Desechos de maíz y bagazo

Phoenix, AZ, EUA

Basura municipal

Odense, Dinamarca

Paja de trigo

York, NE, EUA

Desechos de maíz

Ottawa, Canadá

Paja de trigo, avena y cebada

Kauai, HI, EUA

Bagazo y residuos de madera

Jenkins, LA, EUA

Bagazo y cascarilla de arroz

Suiza

Residuos de madera blanda

Fuente: [12]

1-14

El etanol celulósico tiene la ventaja de poder reducir las emisiones netas de CO2 casi a cero y puede ser derivado de una diversa y extensa fuente de recursos. Por ejemplo, puede ser producido a partir de diferentes especies de árboles tales como el álamo híbrido, sauce y arce de plata; residuos de madera incluyendo virutas y aserrín; desechos de obras de construcción, residuos municipales, papel y lodo de aguas residuales; residuos de la cosecha del maíz, residuos del procesamiento del maíz y caña de azúcar; paja de cereales como trigo, avena, cebada, arroz; y hierbas tales como zacate, sorgo y miscanthus. Es en esta línea de investigación, que se estudio la obtención de etanol a partir del zacate buffel.

1.4.1 Buffel

El zacate buffel (Cenchrus ciliaris) es una planta perenne, crece en el verano y puede llegar a crecer hasta 150 cm de alto. Este zacate soporta desde climas sub-tropicales hasta regiones cálidas con veranos lluviosos y largas temporadas de sequía, ya que puede vivir hasta un año sin agua de lluvia y puede ser sembrado en suelos arenosos. Tabla 1-IX: Composición química del forraje de zacate buffel.

Componente Materia orgánica

% en peso de materia seca 84.4



Proteína cruda

10.0



Fibra detergente neutra

74.4

o

Celulosa

35.3

o

Hemicelulosa

31.8

o

Lignina detergente acido

5.3

o

Cenizas insolubles en acido

2.1

Fuente: [13]

1-15

Es originario de África Ecuatorial, Sudáfrica, India e Indonesia. Primeramente fue introducido a Estados Unidos de América desde Sudáfrica, se expandió a México en 1954 y después a los demás países americanos. México siembra anualmente cerca de 200000 hectáreas con esta gramínea y contando ya con más de 1000000 hectáreas en producción, solamente en el estado de Sonora [14].

El buffel cuando esta tierno (verde) sirve de alimento para el ganado bovino y ovino, pero una vez seco este representa un alimento pobre para éstos animales (ver Tabla 1-IX); siendo en estas condiciones como se estudio el procesamiento de esta planta para la obtención de bioetanol en el presente proyecto de tesis.

Figura 1-6: Zacate buffel en el desierto Arizona-Sonora1.

1

Esta fotografía fue tomada de la página web del Museo del Desierto, http://www.desertmuseum.org/programs/images/Pencil38a.jpg, el día 4 de junio del 2009.

1-16