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ANÁLISIS DE LA OBTENCIÓN DEBIOETANOL LIGNOCELULÓSICO APARTIR DE LA SECUENCIA Y LA

ESPERA OPERACIONALYailet Albernas Carvajal, Meylín González Cortés, Leyanis Mesa y

Erenio González Suárez,Centro de Análisis de Procesos. Universidad Central Marta Abreu de Las Villas.

En este trabajo se analiza la tecnología propuesta en la UCLV de obtención de bioetanol apartir del bagazo como biomasa considerando los sistemas discontinuos y el fenómenode espera. Esta tecnología tiene dos etapas que son claves para el éxito en la obtenciónde azúcares fermentables, que son la de pretratamiento y la hidrólisis enzimática para laposterior fermentación. El gran obstáculo de las dos últimas etapas, es que para obtenermejores resultados, necesitan largos tiempos de residencia (y aquí es donde aparece elfenómeno de espera). Por esa razón el análisis requiere un estudio sobre cómo llevar acabo el proceso para garantizar que el proceso global sea continuo. La etapa de hidrólisisenzimática tiene un promedio de duración de 24 horas, y la de fermentación se realiza en12 horas. En este trabajo, se ha estudiado la tecnología de obtención de bioetanol teniendoen cuenta los conceptos básicos de los sistemas discontinuos. Fueron estudiadas diferentesconfiguraciones tecnológicas, partiendo de diferentes recirculaciones de corrientes parala disminución de recursos como el agua fresca y el vapor. Se obtuvo que el proceso depresacarificación como la mejor configuración, de acuerdo con criterios técnicos yeconómicos. La rentabilidad del proceso se logra teniendo considerando el proceso totalcomo una biorrefinería, que permite la producción de otros coproductos de alto valoragregado tales como el furfural y la lignina.

Palabras clave: Bioetanol, hidrólisis enzimática, fermentación, coproductos

ANALYSIS OF THE OBTAIN OF LIGNOCELLULOSIC BIOETHANOLANALYZING THE SEQUENCE AND THE OPERATIONAL DELAYIn this work the analyzed technology is proposed in the UCLV to obtain bioethanol frombiomass, the bagasse considering the discontinuous systems and the delay phenomena.This technology have two stages that are main for the success in the obtaining of ferment-able sugars, they are pretreatment and the enzymatic hydrolysis and then the fermentation.The great obstruction of the last two stages is that to obtain better results, they need longresidence times (and here it is where the delay phenomenon appears). For this reason theanalysis need a study of how to carry out the process to guarantee that the global process iscontinuous. The stage of hydrolysis enzymatic has 24 hours duration, and that of fermenta-tion is carried out in 12 hours. In this work, has been studied the technology of bioethanoltake in consideration basic concepts of the discontinuous systems. Different technologicalconfigurations were studied, leaving of different recirculations of currents for the decreaseof resources like the fresh water and the vapor. It was obtained that the presaccharification

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INTRODUCCIÓN

El alto consumo energético mundial ha traídoconsigo una inevitable disminución de las reservasde combustibles fósiles y la obtención de unambiente con elevados niveles de contaminación.Ambos aspectos se han tornado altamenteimportantes en el mundo, afectando tantocuestiones ambientales y económicas, como lasque involucran la seguridad mundial y las políticasde producción y comercia-lización del petróleo ysus derivados. Debido a esta problemática, eletanol ha ocupado un lugar impor-tante dentrode los combustibles obtenidos a partir de fuentesrenovables. La obtención de etanol de segundageneración, donde se utiliza como materia primael bagazo de la caña de azúcar es una de las víasque se estudian actualmente en busca desoluciones, tanto al problema energético como alambiental.

Uno de los principales retos de la comercializacióndel proceso de obtención de etanol a partir demateriales lignocelulósicos es lograr que el procesosea económicamente sustentable. Las etapas quemás contribuyen al costo total son la hidrólisisenzimática y el pretratamiento. El pretratamiento esuna etapa clave ya que es necesario para incrementarla accesibilidad de la celulosa por las enzimas en lahidrólisis enzimática.

Otro de los retos que presenta dicha tecnología yque aún no han sido resueltos, es la combinación deetapas continuas y discontinuas. Dichas etapasdiscontinuas presentan una larga duración de lo queda lugar a que surja un fenómeno conocido como“fenómeno de espera”; dichos aspectos se puedenapreciar en las etapas de hidrólisis enzimática yfermentación. Este fenómeno de espera atenta con-tra la continuidad del proceso como tal, lo cual a suvez puede atentar en contra de lograr la rentabilidadde dicho proceso. El presente trabajo hace unanálisis preliminar de estos aspectos.

REPRESENTACIÓN DE PROCESOSDISCONTINUOS

Por lo general la representación de los procesos espredominantemente gráfica, para procesos conti-nuos se representan mediante los diagramas deflechas con las corrientes y/o información ydiagramas de bloques con las funciones detransferencia.

Las recetas son la forma de representación nográfica más utilizada para la representación deprocesos discontinuos, de acuerdo con loconfirmado recientemente por [1]. La forma nográfica tiene la ventaja de que puede describircada etapa del proceso, a nivel de tareas yoperaciones. En dicha receta pueden ser incluidastodas las características asociadas con losconsumos de materiales y energía y otros recursos(equipos, mano de obra, vapor, electricidad, etc)además del tiempo de duración de cadaoperación. [2, 3]. Para la representación delproceso sintetizado, la representación grafica másutilizada es el Diagrama de Gantt, el cual es untipo de gráfico de barras que ilustra laorganización del proyecto, ilustra las fechas deinicio y terminación de cada una de lasoperaciones. A pesar de que el Diagrama de Ganttes muy útil y valioso para pequeños proyectospuede ser un inconveniente para los grandesproyectos, o mejor dicho proyectos con más de30 actividades.

Aspecto muy importante referido por [1, 4], es queel tiempo del ciclo limitante Tiempo comprendidoentre fabricaciones de lotes de un mismo productoque no incluye los retrasos derivados a puesta enmarcha o cambio de producto. Este concepto básicodifiere del de tiempo total del proceso que es elperíodo de tiempo entre el comienzo de la accióninicial y el acabado de la acción final de la mismacarga tal como lo reportó [5].

process is the best configuration, of agreement with technical and economic approaches.The profitability process is achieved having considering the total process as a biorrefinerythat allows the production of other such byproducts of high added value as the furfural andlignin.

Key words. Bioethanol, enzymatic hydrolysis, fermentation, by products

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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO(RECETA)

El proceso para la obtención de bioetanol consisteen cuatro etapas básicas: pretratamiento, hidrólisisenzimática, fermentación y destilación. La materiaprima empleada es el bagazo residual de lafabricación de azúcar, el cual es almacenado conuna humedad aproximada de 60 %.

Primeramente se lleva a cabo un pretratamientoácido con ácido sulfúrico, para obtener un residualrico en xilano para la obtención de furfural.Inicialmente se emplea este ácido sulfúrico diluido(1,25 % v/v) durante 15 minutos, logrando laimpregnación ácida en el bagazo. Posteriormente el

Figura 1. Representación de la receta del proceso

sólido pretratado es tratado con vapor a baja presióny una temperatura de 175 ºC para luego pasar a unsegundo pretratamiento, pero esta vez básico conHidróxido de sodio y etanol con una duración de60 minutos, obteniendo un licor rico en lignina. Elsólido pretratado en el segundo pretratamiento (conun contenido de sólido de 5 % masa/volumen) esalimentado a la etapa de hidrólisis enzimática, la cualse lleva a cabo a 50 ºC empleando enzimas celulolí-ticas y un tiempo de 24 h. La solución azucaradaque se obtiene es concentrada por evaporación paralograr así la concentración de 120 g/L de azúcaresfermentables, la cual es la óptima para la fermen-tación [6] con 12 h incluyendo 2 h para limpieza ydesinfección . El proceso completo es mostrado enla figura 1.

ANÁLISIS DEL PROCESO

Como fue explicado anteriormente este procesopresenta varias etapas con largos tiempos deoperación. En la siguiente tabla 1 y la figura 2 sonmostrados los tiempos de duración de las diferentesetapas y el tipo de proceso1.

D e a c u e r d o c o n l a t a b l a 1 y l a f i g u r a 2 , e l t i e m p o

t o t a l d e l p r o c e s o p a r a l a o b t e n c i ó n d e e t a n o l a

p a r t i r d e b a g a z o s i g u i e n d o l a t e c n o l o g í a p r o p u e s t a

e s d e 4 8 , 2 6 h , l o c u a l e s e q u i v a l e n t e a 2 d í a s d e

o p e r a c i ó n . C o m o s e p u e d e o b s e r v a r e l t i e m p o t o -

Figura 1. Representación de la receta del proceso.

tal del proceso es muy elevado cuando se comparacon el proceso tradicional de obtención de etanol apartir de mieles finales que según lo reportado pores de 31 h [7].

El principal inconveniente de la tecnología propuestason los elevados tiempos de operación de las etapasprincipales. Las dos etapas más críticas son lahidrólisis enzimática con 24 h y la fermentación con12 h; ambas etapas son discontinuas y requierengran cantidad de equipos para lograr la continuidaddel proceso dado los elevados tiempos de operacióny el fenómeno de espera.

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Figura 2. Diagrama de Gantt de la Tecnología de obtención de Bioetanol a partir de Bagazo

miento entre etapas como fue reportado por [8].Cuando el proceso opera sin solapamiento entreetapas, el tiempo del ciclo limitante por definiciónes igual al tiempo total del proceso, que para el casode la tecnología propuesta tal y como se explicóanteriormente es de 48,26 h. De acuerdo con lafigura3, cuando se introduce un solapamiento Alrealizar el solapamiento en las etapas previas a lahidrólisis enzimática se reduce el tiempo del ciclolimitante de 48,26 h a 2,6 h; logrando de esta manerael uso de equipos y reducción de los tiempos deespera.

Un análisis de la planificación del proceso permiteanalizar los tiempos de espera en el proceso total:las primeras cinco etapas previas a la hidrólisisenzimática tienen un tiempo de operación de 2,26h, y las etapas de hidrólisis enzimática y fermentacióntienen una duración de 46 h, esto implica que parael reúso de los equipos previos a dichas etapas esnecesario esperar 46 horas, si no se emplea elsolapamiento entre etapas.

La estrategia seguida en el presente trabajo parareducir el tiempo total del proceso es el solapa-

Tabla 1. Tiempos de duración de las etapas y tipo de etapa

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Figura 3. Diagrama de Gantt de la Tecnología de Obtención de Bioetanol considerando elsolapamiento

RENTABILIDAD DEL PROCESO

Tal como lo descrito por [6], la alternativa tecnoló-gica propuesta presenta una relación sólido-líquidode 1/5 en el primer pretratamiento, y el segundopretratamiento (proceso organosolv) presenta unarelación sólido-líquido de 1/7, más elevada que enotros procesos de obtención de etanol a partir deresiduos lignocelulósicos que emplean relaciones de1/10, en orden de reducir el consumo de agua. Deacuerdo con lo reportado por [9] empleandoalrededor de 50 % del agua residual del segundopretratamiento en la hidrólisis enzimática, con lo cuales posible reducir el consumo de agua fresca y conello se incrementa la rentabilidad del proceso total.Es importante señalar que este proceso no requiereuna dilución como el proceso clásico de obtenciónde bioetanol a partir de mieles finales tal como loreportó [10].

Otra alternativa analizada en orden se lograr larentabilidad de dicho proceso es la combinación de lasacarificación y fermentación en el sistema de

CONCLUSIONES

1. El proceso de obtención de Bioetanol a partir debagazo presenta como principales inconvenienteslos altos tiempos de duración de las etapas de

presacarificación descrito por [9]. Esta es la alternativatecnológica más atractiva, logrando la reducción delconsumo de energía ya que no es necesaria la etapa deevaporación, obteniendo con ello rendimientos de 198L de etanol por tonelada de bagazo seco y unaconcentración de etanol de 36,48 g/L.

Teniendo en cuenta lo antes mencionado y consi-derando el proceso completo como una biorre-finería, pueden ser obtenidos otros productos dealto valor agregado, tal como la lignina y el furfural..Asumiendo una planta con una capacidad de 50 000L de bioetanol/d, puede obtenerse una ganancia de14·106 $/año y un tiempo de recuperación de lainversión de 2,5 años.

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hidrólisis enzimática y la fermentación, limitandoasí el uso de los equipos y reduciendo la economíadel proceso total.

2. El tiempo total del proceso en la tecnologíapropuesta es de 48,26 h, mediante un solapa-miento de las primeras cinco etapas del procesose logra reducir el tiempo del ciclo hasta 2,6 h,lo cual quiere decir que cada 2,6 h se vuelven areusar los equipos, en caso contrarios dichosequipos solo se usan cada 48,26 h.

3. El aumento de la relación sólido líquido empleadaen la etapa de pretratamiento y la recirculaciónde varias corrientes intermedias puede reducir elconsumo de agua fresca. El concepto debiorrefinería permite la obtención de coproductospara lograr así la rentabilidad económica de dichoproceso.

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