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• jean carlos

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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC facultad de ingeniería Escuela académica profesional DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

INDICE I.

QUE ES EL BIOETANOL:

II.

MATERIAS PRIMAS:

III.

PROCESOS DE OBTENCIÓN:

IV.

SUBPRODUCTOS DE LA OBTENCIÓN DEL BIOETANOL:

V.

PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE SUSTRATOS TRADICIONALES FUNDAMENTOS BIOQUÍMICOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA:

VI.

OTROS TIPOS DE MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL. USO DE CULTIVOS MIXTOS:

VII.

SISTEMAS TECNOLÓGICOS A TEMPLA UTILIZADOS EN LA ACTUALIDAD PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL:

VIII.

VENTAJAS:

IX.

LIMITACIONES:

X.

COSTO DE PRODUCCIÓN:

XI.

BIBLIOGRAFIA:

BIETANOL

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I.

QUE ES EL BIOETANOL:

Biocombustible líquido, producido a partir de la fermentación de productos renovables como: maíz, caña de azúcar, remolacha, etc. El proceso químico de producción de bioetanol se basa simplemente en una fermentación, que es un cambio químico en las sustancias de naturaleza orgánica llevado a cabo por la acción de enzimas. Lo que ocurre en una fermentación es que las sustancias orgánicas complejas se transforman en otras simples. (1) El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Las especificaciones para la utilización de bioetanol se compendian en la norma Europea de Gasolinas EN 228, en España se encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE relativa a la calidad de las gasolinas y gasóleo, en el Real Decreto R.D. 61/2006 de las especificaciones y uso de biocarburantes. (2) II.

MATERIAS PRIMAS: Los principales insumos para la producción del bioetanol son: - Maíz. - Sorgo granífero - Caña de azúcar - Remolacha azucarera - Papa, etc. Se encuentra en desarrollo la tecnología para la obtención de etanol a partir de biomasa forestal.

III.

PROCESOS DE OBTENCIÓN: El bioetanol se produce, como se ha visto, a partir de la fermentación de mostos azucarados, para cuya obtención existen tres vías posibles: a) Directamente a partir de biomasa azucarada, es decir, productos agrícolas ricos en azúcares, tales como la remolacha y la caña de azúcar. b) Mediante hidrólisis convencional (moderada y enzimática) de biomasa amilacea, productos agrícolas ricos en almidón, tales como los cereales y la patata. Mediante el proceso de hidrólisis se

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UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC facultad de ingeniería Escuela académica profesional DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL consigue aflorar los azúcares, glucosa y/o fructosa, que formarán parte del mosto azucarado. c) Mediante hidrólisis fuerte (ácida o enzimática) de biomasa lignocelulósica, productos agrícolas que contienen celulosa, como son las materias de origen leñoso. Las dos primeras vías son las más empleadas en la actualidad pues son procesos perfectamente conocidos por las industrias agrarias. Por el contrario, la tercera está aún en fase de desarrollo presentándose, no obstante, como la gran alternativa de producción de bioetanol en el futuro, dado el bajo precio de la biomasa lignocelulósica en relación a la biomasa azucarada y amilacea. La fermentación es un proceso por el que, a través de la acción de enzimas, sustancias orgánicas de naturaleza compleja (como la glucosa que contiene el mosto) se convierten en otras más simples (etanol y dióxido de carbono). El bioetanol así obtenido no puede mezclarse con la gasolina dado que, la presencia de agua en la mezcla provocaría la separación de las dos fases, por lo que ha de someterse antes de su utilización a una deshidratación específica. Las nuevas plantas de producción de bioetanol incorporan sistemas de deshidratación avanzados basados en tamices moleculares de zeolitas.

Fuente CNE (Comisión Nacional de Energía) El balance aproximado para la producción de un litro de bioetanol se necesitarían 2,5-3 kg de granos de cereal, mientras que si la materia prima elegida es la remolacha o la caña de azúcar las cantidades requeridas ascenderían a 10 kg y 15-20 kg, respectivamente. (1)

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Gráfica 2. Diferencias en los procesos de obtención de bioetanol.

Otro ejemplo de proceso de obtención de bioetanol a partir de alcohol vínico, lo lleva a cabo la empresa Acciona-Energía en la planta de Alcázar de Juan, donde se procede a la limpieza y deshidratación del alcohol bruto, adquirido en las licitaciones que realiza trimestralmente el Fondo Español de Garantía Agraria (FEGA), para elevar su pureza del 92 % al 99,9 % y comercializarlo, una vez desnaturalizado, como bioetanol. El proceso comprende las siguientes fases: 

Desulfuración: eliminación del anhídrido sulfuroso (SO2) presente en el alcohol bruto.



Deshidratación: reducción del contenido en agua mediante su tamizado con zeolitas, sustancias que captan las moléculas de agua.



Desmetilización: proceso en el que el alcohol ya deshidratado (99,9%) ve separado su contenido de metanol. Esta sustancia resulta corrosiva para los vehículos y puede ser comercializada como producto químico o combustible

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IV:

Almacenamiento en depósitos: desde ellos el producto se trasporta por tuberías a la cisterna de carga y en ese trayecto se le añade una sustancia que desnaturaliza el bioetanol para evitar así su derivación al consumo humano. (2)

SUBPRODUCTOS DE LA OBTENCIÓN DEL BIOETANOL: Los subproductos generados en la producción de bioetanol, así como el volumen de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se pueden agrupar en dos tipos:



Materiales lignocelulïícos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización energética en cogeneración, especialmente para cubrir las necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender el excedente a la red eléctrica (con precio primado).



Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilería de maíz desecados con solubles (DDGS), que son los restos energéticos de la planta después de la fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado de piensos animales por su riqueza en proteína y valor energético.

La caña de azúcar es la planta más aprovechable por el bagazo generado para su combustión y generación energética. La remolacha azucarera genera, por su parte, unas 0,75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido.

La producción de bioetanol a partir de trigo o maíz genera en torno a 1,2 ton de DDGS por tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofías alimenticias en cuanto al empleo del DDGS. Cuando el pienso está en el 15 % o menos de la dieta, el DDGS sirve como una fuente de proteína suplementaria. Cuando el pienso está en los niveles más altos (superior al 15 % de la dieta de la materia seca) su papel primario es como fuente de energía. El DDGS está compuesto de grasa "en un 10-15 %", de fibra neutra detergente "en un 40-55 %", de proteína de crudo (CP) "en un 30-35 %" y de ceniza en un 5 %. (2)



Comparación de las diferentes materias primas para la producción de bioetanol

Materia prima

Relación de energía

Emisiones evitadas

Caña

9,3

89%

Maíz

0,6 – 2,0

-30% a 38%

Trigo

0,97 – 1,11

19% a 47%

Remolacha

1,2 – 1,8

35% a 56%

Mandioca

1,6 – 1,7

63%

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Residuos lignocelulósicos 8,3 – 8,4

66% a 73%

Fuente: Elaborado en base a Dai et al. (2006), EBAMM (2005), IEA (2004), Macedo et Al. (2007) y Nguyen et al. (2007)

V:

PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE SUSTRATOS TRADICIONALES FUNDAMENTOS BIOQUÍMICOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La ruta enzimática de la glucólisis (degradación de glucosa por vía aerobia) y de la fermentación alcohólica fue aclarada en el transcurso de muchos años de investigación a finales del siglo XIX y en la primera mitad del XX. Las observaciones fundamentales efectuadas con los extractos de levadura y eldescubrimiento posterior de que los extractos musculares pueden catalizar la glucólisishasta lactato, sirvieron para realizar investigaciones más intensas. La secuencia de reacciones entre la glucosa y el piruvato se conoce por el nombre de ruta de Embden Meyerhof, o también de Embden-Meyerhof-Parnas,en honor a sus descubridores. Los sustratos más comúnmente usados para la fermentación son los azúcares, en especial la D-glucosa. Una clase de fermentación importante de la glucosa es la fermentación alcohólica. Para muchas levaduras en un medio adecuado, la fermentación significa la conversión de hexosas, principalmente glucosa, fructosa, manosa y galactosa, en ausencia de aire, en los siguientes productos finales: Glucosa + 2 Pi + 2 ADP →⎯⎯⎯ 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O - 24 kcal Alrededor del 70 % de la energía es liberada como calor; el resto es preservado en dos enlaces fosfatos terminales de ATP (trifosfato de Adenosina), para usarlo en las reacciones de transferencia, tales como la activación de la glucosa (fosforilación) y de aminoácidos antes de las polimerización. (4)

VI:

Otros tipos de microorganismos utilizados en la producción de bioetanol. Uso de cultivos mixtos Otros tipos de microorganismos que se utilizan en estos procesos son las bacterias y algunos hongos como Mucor racemosus y del género Rhizopus. Con relación al empleo de cultivos mixtos en la fermentación alcohólica se reportan algunos trabajos con levaduras. Con los formados por dos levaduras: S.cerevisiae-S. carlsbergensis, en proporción 4:1 en el orden mencionado, se favoreció el incremento en la producción de alcohol, como resultado de la fermentación completa de la rafinosa por la segunda. Se

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plantea que hay una gran tendencia actualmente a utilizar bacterias; entre ellas se destaca la Zymomonas mobilis. Se reportan productividades tres veces mayores para la Z. mobilis en comparación con la S. cerevisiae usando concentraciones de glucosa de 150 g/L o mas bajas. La viabilidad de la Z. mobilis se mantiene durante la producción de etanol; se logran buenos rendimientos, así como el acortamiento del ciclo fermentativo respecto al que se obtiene con las levaduras. Otras bacterias mesofílicas han sido utilizadas en la producción de etanol por fermentación, tales como: Clostridium sporogenes, Cl. indolicus, Cl. sphnoides, Zimomonas mobilis, Erwinia amilovora, Spirocheta aurantia, Streptococus lactis, Spirocheta litorales y Spirocheta stenostrepta, con satisfactorios resultados de productividad. Se realizaron experimentos a escala de laboratorio con bacterias termofílicas con rendimientos aceptables. 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. Se encontró además que el mejor rendimiento en la producción de ron y en su aroma fue obtenido cuando la relación de levadura a bacteria era de 1: 5. Las bacterias son añadidas cuando la concentración de alcohol es de 3,5 a 4,5 (V/V) y el contenido de azúcares igual o menor a 6 g / 100 mL de batición. 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. Se reportan estudios con cultivos mixtos o microorganismos trabajados genéticamente cuyo objetivo fundamental es lograr utilizar sustratos complejos de degradar, que incluso en algunos casos son residuos. Las bacterias Escherichia coli y Zymomonas mobilis 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 Trichoderma viride y Pachysolen tannphylus, Aspergillus ninger y Saccharomyces cerevisiae para lograr estos objetivos. (4) VII:

Sistemas tecnológicos a templa utilizados en la actualidad para la producción de bioetanol: El bioetanol se produce mayoritariamente en procesos discontinuos . Los fundamentales son: • Sistema Jackemine: sin recirculación celular, tiempos de fermentación relativamente largos y baja productividad, comparada con la del Melle –Boinot. • Sistema Melle- Boinot: recircula la levadura, limita el crecimiento celular y maximiza la producción de alcohol, a la vez que logra disminuir sensiblemente los tiempos de fermentación debido a la alta densidad celular en el fermentador. Se caracteriza por su elevada productividad, 20-25 veces más que el sistema Jackemine

VIII:

VENTAJAS: - Puede ser producido a partir de fuentes renovables. - Es un combustible líquido y puede ser manejado tan fácilmente como las naftas y el diesel. - Alto índice de octanos - Produce menos bióxido de carbono al quemarse que la nafta, pero el impacto total depende del proceso de destilación y la eficiencia de los cultivos.

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- Resulta menos inflamable que los derivados del petróleo. - Baja toxicidad VX:

X:

LIMITACIONES: -Presenta una menor densidad de energía que las naftas, contiene dos terceras partes de la energía contenida para el mismo volumen de nafta. - Genera emisiones altamente evaporativas COSTO DE PRODUCCIÓN: Los costos de producción del bioetanol dependen en gran medida de los costos de la materia prima utilizada, en particular de los distintos cultivos empleados. También dependen del tamaño de las plantas de producción así como de las políticas gubernamentales. Por estos motivos los costos de producción varían significativamente de unas regiones a otras.

XI: BIBLIOGRAFIA: 1: © 2006 ALIBIO - Asociación Litoral de Biocombustibles

 Alibio 2006 2: Miliarium.com – ing. Civil y medio ambiente 3: Fuente: Elaborado en base a Dai et al. (2006), EBAMM (2005), IEA (2004), Macedo et al. (2007) y Nguyen et al. (2007) 4: Facultad de Ingeniería - Universidad Rafael Landívar, Por Dra.C. Maria Teresa Hernández Nodarse, TENDENCIAS ACTUALES EN LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

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