ETANOL CELULÓSICO Y DE MAÍZ

Autor: Jorge Alejandro DelaVega Lozano

Otros conceptos de economía

24-01-2008

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En el proceso de gasificación, el carbón de la biomasa es la materia prima que se convierte a gas mediante combustión parcial para obtener monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono que se utilizan en la producción de etanol mediante procesos de fermentación o catalización termo-química (p. ej. Proceso Fischer-Tropsch). Los catalizadores están basados en elementos como el hierro y cobalto.

Conceptos Fundamentales

Etanol de Maíz

1. Molienda de Granos:

Los granos de maíz son molidos finamente para obtener harina.

2. Masa de Maíz y Calentamiento:

Suministro de líquido al la harina de maíz pare obtener una masa (puré).

Incremento en la temperatura del proceso para transformar el almidón en una solución líquida y eliminar las bacterias presentes en la masa.

3. Hidrólisis Enzimática:

Suministro de enzimas para degradar (romper) las cadenas largas de carbohidratos, transformando el almidón en cadenas cortas de glucosa (azúcar simple de 6 carbones) y, eventualmente, en moléculas individuales de glucosa.

4. Fermentación de Levaduras:

La masa hidrolizada, es transferida a un tanque de fermentación donde se añaden microorganismos (levaduras) para convertir la glucosa en etanol y dióxido de carbono (CO2).

Grandes cantidades de CO2 que se generan durante el proceso de fermentación, se recuperan y comprimen para venta a otras industrias (p. ej. bebidas carbonatadas, hielo seco, etc.).

5. Destilación:

El producto de la fermentación (similar a la cerveza) contiene entre 10%y 12% de etanol (alcohol), así como residuos de la masa y levaduras. Este producto es bombeado a través de varias columnas en la cámara de destilación para eliminar del etanol los residuos sólidos y el agua.

La pureza en el etanol, después de la destilación, es alrededor de 96%.

Los residuos sólidos que se ecuentran en la parte inferior del tanque, son bombeados al exterior y procesados como sub-productos ricos en proteínas para alimentación del ganado.

6. Deshidratación:

a. Las pequeñas cantidades de agua remanente en el etanol, son eliminadas mediante filtros para retener moléculas. Estos filtros contienen una serie de pequeños granillos que absorben el agua. Las moléculas de etanol tienen mayor tamaño que les impide atravesar los filtros. De esta forma se obtiene etanol con grado de alcohol 200 Proof.

Antes del embarque, el etanol es mezclado con gasolina (~5%) para desnaturalizar el etanol. De este modo se evita la ingesta del etanol como bebida alcohólica.

Comentario:

Alimentos como el maíz, no deben utilizarse en la producción de etanol para proporcionar energía a las máquinas.

El maíz es alimento que proporciona energía al ser humano.

Etanol Celulósico

1. Residuos Vegetales:

La mayor parte de la materia en los vegetales consiste en tres polímeros principales: a) Celulosa (35% a 50%). b) Hemicelulosa (20% a 35%). c) Lignina (10% a 25%). Estos polímeros se encuentran construidos e interconectados mediante ensambles complejos dentro de las paredes celulares en los vegetales.

La celulosa y la hemicelulosa, son carbohidratos que pueden ser transformados en azúcares fermentables. Las partes de celulosa y hemicelulosa en la biomasa son procesadas separadamente, debido a que poseen estructuras y contenidos de azúcar distintos.

La celulosa consiste en cadenas largas de moléculas de glucosa (azúcares simples de 6 carbonos) construidas en una sólida estructura tridimensional cristalina.

La hemicelulosa es un polímero ramificado, compuesto primordialmente de moléculas de xylosa (azúcares simples de 5 carbonos) y otros azúcares. La lignina, no puede convertirse en etanol, porque no es un carbohidrato, sino un polímero rígido aromático.

2. Proceso Mecánico:

Se tritura la biomasa (residuos vegetales), no sin antes eliminar substancias indeseables.

3. Pre-Tratamiento en la Biomasa:

Se aplica calor, presión o ácidos para liberar la celulosa, hemicelulosa y lignina de la biomasa. De este modo, la celulosa se hace más accesible a la acción de las enzimas (hidrólisis) y, la hemicelulosa, es hidrolizada a mezcla soluble de azúcares que contienen 5 y 6 carbonos. Una pequeña porción de celulosa puede ser convertida en glucosa. Los ácidos, cuando se utilizan en este proceso, son neutralizados con la adición de cal. Generalmente un sólo tipo de proceso (calor, presión, ácido) no es factible, debido a que la biomasa proviene de distintas fuentes (pastos, pajas. olotes, madera, papel). Hidrólisis = reacción química del agua con otra sustancia.

4. Separación:

El jarabe de azúcares de hemicelulosa es separado de las fibras sólidas que contienen lignina y celulosa cristalina.

5. Fermentación Azúcares Hemicelulosa:

Mediante una serie de reacciones bioquímicas, las bacterias convierten en etanol la xylosa y otros azúcares de hemicelulosa.

6. Producción de Enzimas:

Algunas de las partes sólidas de la biomasa son utilizadas para producir enzimas celulasa que fragmentan la celulosa cristalina. Estas enzimas son obtenidas a partir de cultivos de microorganismos. La compra de enzimas eliminaría esta etapa del proceso.

7. Hidrólisis de la Celulosa:

Los residuos fibrosos contenidos en la celulosa y lignina, son transferidos a un tanque de fermentación donde enzimas celulasa son suministradas.
Una mezcla de diversas celulasas operan conjuntamente para degradar la celulosa cristalina y obtener cadenas de celulosa sin cristalización y, finalmente, fragmentar cada cadena de celulosa en moléculas individuales de glucosa.

8. Fermentación de Azúcares de Celulosa (Glucosa):

Levaduras u otros microorganismos consumen glucosa (azúcares de celulosa) y generan etanol, conjuntamente con dióxido de carbono como resultado de la fermentación en la glucosa.

9. Destilación:

El etanol diluido que fue producido durante la fermentación de los azúcares de hemicelulosa y celulosa es destilado para eliminar el agua y concentrar el etanol. Los residuos sólidos que contienen lignina y células de microorganismos pueden ser utilizados como combustible para generar electricidad y calor necesarios en el proceso, o ser convertidos en sub-productos para alimentación animal o fertilización agrícola.

10. Deshidratación:

Los remanentes de agua son removidos del etanol destilado.

Obtención de Etanol Celulósico por Gasificación

En el proceso de gasificación, el carbón de la biomasa es la materia prima que se convierte a gas mediante combustión parcial para obtener monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono que se utilizan en la producción de etanol mediante procesos de fermentación o catalización termo-química (p. ej. Proceso Fischer-Tropsch). Los catalizadores están basados en elementos como el hierro y cobalto.

Los gases: monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono son sometidos a procesos de fermentación mediante microorganismos como Clostridium ljungdahlii que asimilan los gases (monóxido de carbono, hidrógeno, dióxido de carbono) y, como resultado de la asimilación se produce etanol y agua. El etanol es separado del agua mediante destilación.

Obstáculos en la Producción de Etanol Celulósico

Entre los obstáculos en la producción de etanol celulósico se encuentran los siguientes:

 Menor promedio de azúcares por cantidad de biomasa.

 La naturaleza perseverante en la celulosa dificulta la obtención de azúcares. Es decir, se requieren mejores métodos en el pre-tratamiento y solubilización de hemicelulosa y celulosa que se encuentran protegidas dentro de estructuras rígidas en las paredes celulares de las plantas, conjuntamente con la lignina.

 Pre-tratamientos intensivos en la biomasa para obtención de etanol, generan sub-productos químicos que inhiben la hidrólisis enzimática y disminuyen la productividad de los microorganismos en la fermentación.

 La forma cristalina de celulosa, dificulta que las soluciones enzimáticas acuosas conviertan la celulosa en glucosa.

 La mezcla de azúcares con 5 y 6 carbonos generada por la hidrólisis en la hemicelulosa. Existen microorganismos que pueden fermentar azúcares de 5 ó 6 carbonos, pero estos microorganismos muestran menores promedios de producción en la fermentación de azúcares y escasa tolerancia al etanol como producto final. La producción de etanol con mezcla de azúcares de 5 y 6 carbonos es menor a la obtenida mediante almidón de maíz en la fermentación de azúcares.

Jorge Alejandro DelaVega Lozano

Consultor Independiente

j.alexlarrobayahoo.com