Texto Bioetanol

ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA

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ETANOL LIGNOCELULSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA

FABIO EMIRO SIERRA VARGASIGNACIO CONTRERAS ANDRADE

CARLOS ALBERTO GUERRERO FAJARDO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE CIENCIAS

GRUPO APROVECHAMIENTO ENERGTICO DE RECURSOS NATURALESBOGOTA D.C.

2012


2

TABLA DE CONTENIDO

Pgina

1 CAPTULO 1. BIOETANOL: ACTUALIDAD Y PERSPECTIVAS 6

1.1 Generalidades 6

1.2 Produccin mundial de bioetanol 6

1.3 Polticas relacionadas con la produccin de biocombustibles 14

1.4 Implementacin del bioetanol como combustible en algunos pasesdel mundo y Colombia

15

1.5 Ventajas del uso de bioetanol 17

1.6 Bibliografa 18

2. CAPTULO 2. MATERIAS PRIMAS PARA LAPRODUCCIN DE ETANOL

19

2.1 Generalidades 19

2.2 Principales fuentes actuales de produccin de bioetanol de primerageneracin a nivel mundial.

20

2.3 Materias primas para la produccin de bioetanol de segundageneracin.

22

2.4 Materias primas alternativas 24

2.4.1 Distribucin mundial 24

2.4.2 Clasificacin taxonmica 24

2.4.3 Caracterizacin del Jacinto de Agua 25

2.4.4 Composicin Qumica de la Eichhornia crassipes 25

2.4.5 Pre tratamientos investigados para la Biomasa lignocelulsica deJacinto de Agua.

26

2.4.6 Utilizacin de microorganismos 26

2.4.7 Ventajas y desventajas del uso de E. crassipes para la produccinde bioetanol

27

2.5 Bibliografa 28

3 CAPTULO 3. PROCESOS DE PRODUCCIN DE ETANOL 32


3.2 Produccin de etanol 32

3.2.1 Etanol de azcares simples 33


3

3.2.1.1 Lote y procesos semi-continuos 34

3.2.1.2 Procesos continuos 34

3.2.2 Etanol de almidn 36

3.2.2.1 Hidrlisis del almidn 36

3.2.2.2 Produccin de etanol de maz 36

3.2.2.3 Produccin de etanol de trigo 37

3.2.2.4 Produccin de etanol de yuca 38

3.3.1 Etanol de lignocelulosa 38

3.3.1.1 Pre-tratamientos 39

3.3.1.2 Detoxificacin 51

3.3.1.3 Tcnicas de hidrolisis 52

3.3.1.4 Fermentacin 57

3.3.1.5 Producto y recuperacin de slidos 68

3.4 Bibliografa 69

4 CAPTULO 4. MECANISMOS FERMENTATIVOS DE LAPRODUCCIN DE ETANOL

72


4.2 Mecanismos de fermentacin 73

4.3 Microorganismos relacionados a la fermentacin de etanol 74

4.3.1 Levaduras 75

4.3.1.1 Saccharomyces cerevisiae 77

4.3.1.2 Pitia Stipitis 79

4.3.2 Bacterias 79

4.3.2.1 Zymomonas mobilis 80

4.3.2.2 Escherichia coli 83

4.4 Factores que afectan el desempeo de los microorganismos en laproduccin de bioetanol

85

4.4.1 Inhibicin por producto 85

4.4.2 Temperatura 85

4.4.3 Condiciones de aireacin 86

4.5 Mejoramiento de microorganismos para la produccin de etanol 86

4.6 Bibliografa 87


4

5 CAPTULO 5. ASPECTOS AMBIENTALES RELACIONADOS CONEL ETANOL COMO COMBUSTIBLE

90


5.2 Tecnologas empleada para la produccin de etanol 90

5.3 Costos de produccin 92

5.4 Impacto de costos en el mercado alimentario 92

5.5 Impactos medioambientales 93

5.5.1 Impactos en el cambio climtico 93

5.5.2 Calidad del aire 96

5.5.3 Impactos en la biodiversidad y ecosistemas 97

5.6 Bibliografa 99

6 CAPTULO 6. BIORREACTORES 100


6.2 Factores generales para el diseo de bio-reactores 101

6.3 Tipo de bio-reactores 102

6.3.1 En columna 103

6.3.2 En columna estril 104

6.3.3 Tambor horizontal 105

6.3.4 Zymotis 106

6.3.5 Growtek 107

6.4.6 Para proceso continuo 108

6.3.7 Columna-charola 108

6.3.8 Biocon 109

6.3.9 Lecho fluidizado 109

6.4 Bibliografa 110

7 RESULTADOS Y ANLISIS 112

7.1 Preparacin del soporte y anlisis elemental 112

7.2 Anlisis de hidrolizado 112

7.2.1 Efecto del tamao de partcula y solubilidad 114

7.2.2 Efecto de la interaccin de la concentracin del hidrxido de sodioen la biomasa.

114

7.2.3 Efecto del perxido de hidrgeno sobre la biomasa 115


5

7.3 Detoxificacin 115

7.4 Determinacin de lignina 115

7.4.1 Lignina insoluble 115

7.4.2 Lignina soluble 116

7.4.3 Lignina total 117

7.5 Hidrlisis enzimtica y determinacin de azcares reductores 118

7.6 Reactivacin de la Z. mobilis 120

7.7 Fermentacin discontinua del sustrato 121

7.7.1 Fermentacin a medio pretratado con NaOH al 10% yacondicionado

122

7.7.2 Fermentacin a medio pre-tratado con NaOH al 10% y sinacondicionamiento

124

7.7.3 Fermentacin a medio pre-tratado con NaOH al 1% y acondicionado 126

7.7.4 Fermentacin a medio pre-tratado con NaOH al 1% y sinacondicionamiento

128

7.8 Rendimiento de etanol 129

7.9 Anlisis estadstico del rendimiento de etanol 131

7.10 Bibliografa 135


6

PROLOGO

La tendencia mundial durante las ltimas dcadas en el uso de energticos se centra en

la bsqueda de combustibles alternativos para los procesos industriales y los sistemas de

transporte, debido esencialmente al incremento en los costos del petrleo, la dependencia

al mismo a travs de sus derivados, las emisiones de gases de efecto invernadero

provenientes de los procesos de combustin e inconvenientes socio polticos de pases

productores del crudo.

Dos ideas relevantes hacen parte de la diversidad de estudios relacionados con la

produccin de biocombustibles como bioetanol y biodiesel como sustitutos de la gasolina

y el diesel fsil, aportando as valiosas contribuciones al conocimiento qumico,

bioqumico, tecnolgico y biotecnolgico de las fuentes de energa alternas. La primera

corresponde a complementar el uso de los combustibles derivados del petrleo

obteniendo diferentes mezclas de gasolina y etanol, iniciativa con gran auge en el mundo

moderno. La segunda opcin, es sustituir completamente la gasolina, el gas natural,

ACPM entre otros, por la produccin de biocombustibles a partir de materias primas

renovables que se encuentran abundantemente en la naturaleza como lo es la biomasa,

considerada como el conjunto de materia orgnica de origen animal y vegetal que tiene un

aprovechamiento trmico y/o elctrico muy importante por su participacin con el 10,6%

del total de la energa que consume el mundo (mayor en pases en va de desarrollo: lea

y residuos de cosechas). La lignocelulosa es el polmero ms abundante de la naturaleza

con un valor cercano al 50% de la biomasa cuya produccin anual est entre 10-50

billones toneladas.

De esta manera surge la propuesta por parte de los grupos de investigacin:

Aprovechamiento energtico de recursos naturales de la Facultad de Ciencias y MDL y

Gestin energtica de la Facultad de Ingeniera Mecnica de la Universidad Nacional de

Colombia, de utilizar el material lignocelulsico presente en la biomasa del Jacinto de

agua (Eichhornia crassipes) como planta acutica seleccionada, debido a su alto

contenido de hemicelulosa y celulosa, biopolmeros considerados como precursores del


7

bioetanol a partir de su fermentacin. El uso de esta planta como materia prima para

biocombustible alternativo aporta numerosos beneficios, desde el control de la misma por

su condicin marcada de plaga en los grandes y pequeos cuerpos de agua a nivel

mundial, su mayor distribucin como consecuencia de la alta tasa de reproductividad y la

no competencia con los productos de consumo humano.

El conocimiento cientfico que resulta del presente trabajo, permite consolidar la lnea de

investigacin en biocombustibles lquidos de inters para el mundo en la bsqueda de

alternativas energticas y facilita el camino de formacin de investigadores preocupados

por el desarrollo tecnolgico dentro de un marco de sostenibilidad de los proyectos

productivos que sean amigables con el medio ambiente.

Los Autores


8

CAPTULO 1

BIOETANOL: ACTUALIDAD Y PERSPECTIVAS

1.1. GENERALIDADES

La produccin de combustibles alternativos para la industria y el transporte han suscitado

gran inters en las ltimas dcadas, debido al incremento en los precios del petrleo, la

dependencia al mismo [1] y las emisiones de gases invernadero [2]. La realizacin degran diversidad de estudios relacionados con la produccin de Bioetanol y Biodiesel, han

aportado valiosas contribuciones al conocimiento qumico, bioqumico, tecnolgico y

biotecnolgico de las fuentes de energa alternas a los de origen fsil, buscando

complementar, de esta manera, el uso de los combustibles derivados del petrleo. Una de

las materias primas que se encuentra abundantemente en la naturaleza es la Biomasa,

considerada como el conjunto de materia orgnica de origen animal y vegetal que tiene un

aprovechamiento trmico y/o elctrico [3].

1.2. Produccin mundial de Bioetanol

Es significativo considerar que a pesar del gran inters y necesidad por investigar el

tratamiento y procesamiento de las materias primas para la produccin de los

biocombustibles, las polticas econmicas globales, adems de las preocupaciones

relativas a la sostenibilidad de su produccin, han influenciado notablemente en aminorar

la expansin de la capacidad industrial del sector [4]. Hasta el segundo semestre del 2009los precios del Etanol disminuyeron al 6% con relacin al mismo periodo en el 2008. Conel presente clima poltico y el estmulo respecto a la demanda global de etanol, se

proyecta que la produccin mundial alcance unos 159 mil millones de Litros en el 2019

(Mml). De igual manera, se espera que aumente y se mantenga constante hasta alcanzar

precios entre los USD 45 y 52 por hectolitro (hl), similar al trienio del 2005-2008 (Figura

1.1).


9

Figura 1.1 Proyecciones mundiales para el Etanol [4].

Es as como el comercio del etanol ser mayor, con un promedio de 10% por ao durante

la dcada del 2010-2020. Este crecimiento se ve relacionado con la alta produccin-

exportacin de Brasil y la gran demanda de importacin de Estados Unidos. De igual

manera se relaciona detalladamente, en la figura 1.3, los precios en USD/L con las

materias primas utilizadas en mayor proporcin por cada pas, haciendo hincapi en que

Brasil maneja bajos costos gracias a que es el mayor productor de Caa de Azcar en el

mundo, permitindole aprovechar este insumo agrcola y sus residuos para generar etanol

de Primera y segunda generacin.

Desde esta particular caracterstica, se perfilan a Brasil y Estados Unidos, como los

mayores productores del mundo de etanol, aunque segn datos recientes y proyecciones

industriales coinciden en afirmar que Estados unidos sobrepasar en un 8% la produccin

en comparacin con Brasil (Figura 1.2). Igualmente se denota el gran paso a la

participacin activa de la UE en la utilidad y demanda en el mercado del etanol.


10

Figura 1.2 Distribucin Regional de la produccin y el uso mundial del etanol en 2018 [4].

A pesar de que durante la ltima dcada la Unin Europea ha tratado de disminuir los

costos de produccin del etanol aprovechando el cultivo de la Remolacha (mayormente) y

el trigo, sigue siendo uno de los menores generadores de etanol a nivel mundial,

despojado por Brasil y U.S.A que manejan bajos costos de obtencin del combustible

gracias a otras materias primas esenciales consideradas en la figura 1.3 que

corresponden a la caa de azcar y el maz respecto de cada pas.

Figura 1.3 Costos de Produccin y principales Materias Primas en el 2007 [6].


11

La gran ventaja de los anteriores pases radica, igualmente, en la mayor disponibilidad de

terrenos cultivables para tal fin (obtencin de etanol) y en el caso de Brasil gracias a la

introduccin del etanol como combustible en los automotores [6]. An la materialignocelulsica se mantiene con un alto costo de produccin y por ende la generacin de

Bioetanol comparativamente con materias agrcolas de primera generacin (figura 1.3).

Dentro de los pases que no menos importantes, son citados en la tabla 1.1, se

encuentran Canad, China y Colombia, entre otros, siendo correspondientes a un 11%

como participantes primordiales con crecientes intereses en este biocombustible.

Tabla 1.1. Produccin Mundial de Etanol (millones de litros), en los principales pases del mundo [10]PAS 2008USA 33.737

BRASIL 24.261EU 27 2.748CHINA 1.882

COLOMBIA 296INDIA 247

OTROS 1810MUNDIAL 64.981

Segn la informacin obtenida por la Asociacin de Combustible de Etanol Europea (Bio)

y la CEPAL (Comisin Econmica para Amrica Latina y el Caribe), durante los ltimos 25

aos, a nivel mundial y regional, Brasil ha sido el mayor productor de etanol

histricamente en el mundo (Vase la Figura 1.4). Sus aportes en el tratamiento,

procesamiento e implementacin de los biocombustibles en el transporte automotriz, ha

permitido desarrollar investigaciones, dado el inters de los pases andinos, del cono sur,

el Caribe y Centroamrica [5] como nuevos productores-exportadores aprovechandoestudios del terreno, materias primas y la viabilidad de costos de produccin

correlacionados a los de ste pas. Aunque Brasil sea el mayor productor de caa del

mundo, los ms grandes promedios agrcolas se encuentran en Colombia, con ms de

100 t/ha, generando en promedio ms de 8000 litros de Etanol.


12

Figura 1.4. Productores mundiales hasta el 2007 [4].

A esta situacin Colombia, sobresale como el segundo productor de Etanol a nivel

Latinoamericano basado en el procesamiento de Caa de azcar. Segn datos

estimados, tras operar desde el ao 2006-2008, alcanz una produccin de etanol de 300

millones de Litros ( 80 millones de galones) en el 2008 (Ver tabla 1.1). Su acelerado

desarrollo se debi a los altos rendimientos y bajos costos de produccin de los cultivos

de caa de azcar [4]. Su mayor inters en mejorar y ampliar la industria de etanol se veencaminado a la exportacin a Estados Unidos de Amrica [5].

Figura 1.5 Principales Fuentes de Energa en la Regin Andina- Sudamrica, 2007 [6].

Otro factor que afecta y beneficia la produccin de etanol en la Regin Andina, es

inicialmente la utilizacin de energas alternativas como segunda y principal opcin

despus de los de origen fsil. (Vase la Figura 1.5). Desde esta perspectiva adems de


13

las polticas econmicas relacionadas con la mezcla obligatoria de etanol y otros

combustibles, efectuadas en Colombia y en los pases pertenecientes a diferentes

entidades multilaterales y de tratados econmicos en ALC[6], se proyecta un aumento dealrededor del 10 % para Colombia en el lustro del 2010-2015 (Tabla 1.2).

Tabla 1.2 Proyeccin del Consumo de Bioetanol en Colombia. Fuente: Elaboracin propia con base enOLADE [6].

COLOMBIA

Mezcla conbioetanol2010

Consumo debioetanol enel 2010 (enMiles deLitros)

Mezcla conbioetanol para2015 (en Milesde Litros)

Consumo debioetanol para2015 (Miles deLitros)

10% 586327 20% 1392744

Colombia al igual que Amrica latina se posicionan como los segundos mayores

productores de la regin y del mundo respectivamente, con un potencial de 29 millones de

litros en el 2008. El 96 % de la produccin de biocombustibles la constituye Brasil quien

rebasa en un alto rango a Colombia (1,4 %) (OIE, 2009b; OECD/IEA 2010). Este ltimo ya

hace parte de los pases que despliegan y tienen programas establecidos usando mezclas

de etanol con gasolina (Vase la Figura 1.6), pero en la Mayora de Latinoamrica se

estn implementando nuevas polticas que sugieren a la regin un gran potencial como

bio-carburantes de segunda generacin.

Figura 1.6 Uso actual de etanol en el mundo [8].


14

La mayora de materiales comnmente empleados y de igual manera aun proyectados

para obtener etanol han sido provistos por insumos agrcolas como el sorgo, la

remolacha, el trigo, la caa de azcar entre otros [21], pero en el presente se da miras ala produccin de biocombustibles lquidos de segunda generacin con materias primas de

biomasa lignocelulsica [12] tambin consideradas como materias primas no alimentariaspara los seres humanos [15-17] la cual comprende alrededor del 50% de la biomasa delmundo [18]. Un ejemplo claro es el estudio del bagazo de caa [11]. El etanol de segundageneracin proviene principalmente de Residuos Agrcolas, Forestales (Figura 1.7) y

material Herbceo [13] (IICA, 2010) cuya naturaleza se conforma de tres componentesesenciales celulosa, hemicelulosa y lignina [14]. Dos de los ms conocidos combustiblesoriginados luego del procesamiento de las anteriores materias primas es el etanol

celulsico y Fischer-Tropsch (Source: IEA Bioenergy Task 39, 2009).

Figura 1.7. Produccin mundial Agrcolas y Forestales (Promedio 2004-2007) [7]

Existe un mayor reto relacionado ms que la propia disponibilidad de terrenos adicionales

para el cultivo de las materias primas Lignocelulsicas, siendo ste el uso adecuado y

seleccionado de las materias primas [7] determinante para la obtencin de etanol. Aun anivel global se mantiene la tendencia en el uso de materias agrcolas para producir etanol

de primera generacin como Maz (USA), Caa de Azcar (Brasil- India-Colombia) entre

otros, pero segn proyecciones propuestas en la Tabla 1.3, el etanol de origen


15

lignocelulsico abarcar y sobrepasar la produccin de otras materias primas hoy

reinantes.

Tabla1.3. Potencial Productivo de Etanol Lignocelulsico en el Mundo (GI) [10]

DcadaMateria Prima

2010 2020 2030 2050

Granos- Remolacha 45.6 106.1 106.1 106.1

Caa de azcar 40.7 154.3 298.4 632.6

Lignocelulosa 0.0 21.2 203.0 1,036.4

En las posteriores generaciones el uso de bioetanol y biodiesel se equiparar al uso de

los actuales combustibles derivados del petrleo y persistir su aprovechamiento de

diferentes materias primas (Figura 1.8).

Figura 1.8 Proyecciones uso del Bioetanol y Biodiesel [7].

Perspectivas proyectadas predicen que las siguientes dos dcadas Estados Unidos y

Brasil se mantendrn de igual manera como los ms grandes productores de etanol,

originario mayormente de materias agrcolas primarias que de material lignocelulsico

(Figura 1.9).


16

Figura 1.9. Capacidad estimada de produccin de bioetanol sin produccin significativa a partir demateriales celulsicos [9].

1.3. Polticas Relacionadas con la Implementacin de Biocombustibles

Es conveniente reconocer la gran importancia e influencia de las consecuentes

decisiones promovidas por los gobiernos que incentivando a travs de la disminucin

de impuestos en los combustibles permiten el avance del comercio de los combustibles

adems del inters en el cuidado del medio ambiente. Muchos de los tratados

internacionales y los propios de cada pas han impulsado y mejorado las politicas

economicas(decretos y leyes) con respesto a las nuevas fuentes de energia.


17

Figura 1.10. Normativas sobre Biocombustibles para 2010. Fuente: HEC/Global Biofuels, enero 2009 [8]

Se observa en la dinmica Mundial de los Biocombustibles que la mayora de pases que

han desarrollado e implementado tecnologas, se mantienen comnmente polticas

bioenergticas de mezclas parciales como el E10, E20, E85 (figura 1.10).

Indiscutiblemente amplios sectores del mundo como el medio Oriente, frica sahariana,

Rusia se mantienen al margen de investigaciones, tal vez por su aun alto potencial de

recursos fsiles y la exigencia en el cultivo de los terrenos ridos como el norte de frica y

el medio oriente. Es precario en general distinguir al biocombustible como uso totalmente

globalizado debido a sus caractersticas de fabricacin y comercialmente se emplean casi

exclusivamente cultivos de alimentos primarios [15].

1.4. Implementacin del Bioetanol como combustible en algunos pases delmundo y Colombia

El uso del etanol como combustible ha aumentado notablemente en muchos pases, ya

que buscan reducir el aceite que se importa, mientras se empujan economas rurales y

mejora la calidad del aire, para ello han implementado programas en algunos pases que

obliga el uso de las mezclas de etanol en la gasolina (Tabla 1.4).


18

Tabla 1.4. Los programas de etanol como combustible en algunos pases [18].

Pas MateriaPrima

Porcentaje deetanol en lamezcla congasolina%(v/v)

Comentarios

Brasil Caa deazcar 24

Programa pro-Alcohol: donde el bioetanol seusa como el combustible en lugar de lagasolina.

USAMaz

10Es obligatoria la oxigenacin de la gasolinay hay disponibles mezclas de 85% deetanol.

Canad Maz, trigoy cebada

7.5-10 Programas provincianos apuntaron paraencontrarse el Protocolo de Kyoto.

Colombia Caa deazcar

10 Empezado en el 2005 de noviembre; laexencin del impuesto total.

Espaa Trigo ycebada

- El etanol se usa para la produccin deETBE; La mezcla directa con gasolina esposible.

Francia Remolacha, trigo ymaz.

- El etanol se usa para la produccin deETBE; La mezcla directa con gasolina esposible.

Suecia Trigo 5 Mezclas de 85% tambin estn disponibles;no hay ninguna produccin de ETBE.

China Maz ytrigo

- Uso de bioetanol en las regiones centrales ynorte-orientales

India Caa deazcar. 5

Las mezclas del etanol son obligatorias en 9estados.

TailandiaYuca, caade azcary arroz

10Toda la gasolina estacionada en Bangkokdebe vender las mezclas del etanol; sonobligatorias desde el 2007.

Con respecto a Colombia el bioetanol se usa desde el 2005 y el biodiesel a partir del

2008, con base en la obligatoriedad que establecen las leyes 693 de 2001, para el etanol,y 939 de 2004, para el biodiesel, adems del Decreto 2328 de 2008 se crea la ComisinIntersectorial para Manejo de Biocombustibles [22]. El etanol producido por Colombia seobtiene en su casi totalidad del azcar de caa [15]. Para el 2009 Colombia produjo241.800 t de bioetanol respecto a la produccin mundial que fue de 57.7 millones de t. De

acuerdo con la Federacin Nacional de Biocombustibles de Colombia, la capacidad

instalada de produccin de bioetanol es de 306.000 t ao-1 en seis plantas [19].


19

Tabla 1.5. Polticas regionales de algunos pases Americanos (No incluye Brasil)

Pas Porcentaje de etanolen mezcla congasolina %(v/v)

Observaciones

Canad 10% El incremento del 35% en el mercado mundial de losbiocombustibles a partir del 2010 se deber a la mayorgeneracin de etanol y a las polticas bioenergticas, loscontrolados impuestos.

Amrica Central(Costa Rica,Nicaragua, Panamy Per)

8-15%: 2010 La produccin principal est dirigida a la exportacin haciaUSA y no para el consumo local.

Colombia 10%: 200720%: 2009-2025

La mezcla etanol se destinar para ciudades con poblacionessuperiores a los 500.000 habitantes, liberando impuestostotalmente a este producto.

La mezcla obligatoria de etanol y gasolina a partir del 2012 podra llegar hasta un 85 %

que an est en discusin [6] (UPME del Ministerio de Minas y Energa de Colombia).

1.5. Ventajas del uso del Bioetanol

El etanol tiene algunas ventajas cuando se usa como un oxigenante. Primeramente, tiene

el volumen de un oxgeno ms alto que implica menor cantidad de aditivo requerido. El

porcentaje aumentado de oxgeno permite una buena oxidacin de los hidrocarburos de la

gasolina, con una consecuente reduccin en la emisin de monxido de carbono (CO) [2]y compuestos aromticos, el etanol tiene las propiedades propulsoras de octano

mayores, no es txico, y no contamina las fuentes de agua. La gasolina mezclada con el

alcohol conduce la electricidad, y la presin de vapor y grado de volatilizacin es mayor

que puede contribuir al ozono y formacin del humo [20]. Reduce el peligro de recaer enla utilizacin de los alimentos agrcolas primarios de abastecimiento humano como

recurso energtico [2].

El bioetanol puede obtenerse de las cosechas de energa y biomasa lignocelulsica. Pero

una ventaja muy importante y adicional de materia prima radica en la reutilizacin de los

residuos de la primera generacin para generar nuevamente etanol de los mismos [2].

La complejidad del proceso de la produccin depende de la materia prima. De esta

manera, el diseo de tecnologas se lleva a cabo en todas las fases del proceso es decir,

desde la simple conversin de azcares, por la fermentacin, a la conversin de muchas

etapas de biomasa en el etanol. La gran diversidad de alternativas tecnolgicas requiere


20

el anlisis del proceso global junto con el plan y desarrollo de cada uno de los

funcionamientos conjuntos. Entre las nuevas tendencias de la investigacin en este

campo, la integracin de los procesos tiene la clave para reducir los costos en la industria

del etanol y la creciente competitividad del bioetanol respecto a la gasolina, lo que implica

una gran oportunidad para desarrollar tecnologa e investigacin, en los diversos campos

en los que incide directamente la produccin y uso del bioetanol.

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22

CAPTULO 2

MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIN DE ETANOL

2.1. GENERALIDADES

Como consecuencia del incremento de la contaminacin global por el uso de

combustibles de origen fsil, se ha iniciado en el ltimo decenio, el desarrollo de nuevas

fuentes alternativas de energa como la Elica, mareomotriz, Geotrmica, nuclear, entre

otras. Por lo tanto, la produccin de bioetanol se ha generado como una alternativa de

combustible, que a pesar de no poder remplazar los combustibles fsiles ayudan a reducir

la dependencia del petrleo una fuente no renovable, mientras que el bioetanol proviene

de fuentes que pueden renovarse; este es un biocombustible lquido que puede ser

producido a partir de varias materias primas de biomasa y diferentes tecnologas de

conversin, es atractivo porque como es un recurso renovable de origen biolgico

que se oxigena, lo que proporciona el potencial para reducir las emisiones de

partculas (CO2 y txicos tales como el benceno y el tolueno) en los motores de encendido

por compresin [1].

El etanol puede ser producido de dos formas la primera utilizando tres tipos de materias

primas agrcolas tales como:

- Almidones cereales (maz, trigo, cebada) o races y tubrculos (mandioca, papa, yuca,etc.) o de inulina (ame, agave, topinambur, entre otros).

- Cultivos o materiales con alto contenido de sacarosa (caa de azcar, remolachaazucarera, sorgo dulce) o

- Sustancias celulsicas, cuyos carbohidratos se encuentran en forma compleja(residuos agrcolas y forestales, madera cultivos lignocelulsicos, material herbceos,

entre otros) [2].


23

El etanol producido de esta forma se conoce como bioetanol; sin embargo tambinobtenerse etanol mediante la modificacin qumica del etileno, por hidratacin.

La produccin de etanol no solo trae implcito las formas y procesos para su obtencin si

no tambin todo lo que concierne a la materia prima disponible, mecanismos y mtodos

necesarios para lograr obtener un buen rendimiento expresados en trminos de energa[3],

el desarrollo sostenible requiere de recursos de energa sostenible y el uso eficiente de

dichos residuos.

2.2. Principales fuentes actuales de produccin de Bioetanol de primerageneracin a nivel mundial.

Los biocombustibles lquidos producidos actualmente a partir de cultivos de azcar o

almidn (en el caso del etanol) y cultivos de semillas oleaginosas (en el caso del

biodiesel) generalmente se denominan biocombustibles de primera generacin. El

rendimiento del bioetanol de primera generacin se expone en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Rendimiento de materias primas para bioetanol de primera generacin.

BIOETANOLCultivo Rendimiento

(L/ha/ao)

Caa 9000

Remolacha 5000

Yuca 4500

Sorgo dulce 4400

Maz 3200

FUENTE: Ministerio de agricultura y desarrollo rural de Colombia 2007.

El principal recurso a nivel mundial para la produccin de etanol con mayor disponibilidad

es la caa de azcar cuya produccin se extiende a la gran mayora de pases en el

mundo. Seguido de este cultivo se encuentra la mandioca el sorgo, la remolacha

azucarera, el ame y el maz quien es la segunda materia prima ms utilizada para

produccin de etanol (Tabla 2.2) [2].


24

Tabla 2.2. Materias primas para la produccin de bioetanol en diez pases de Latinoamrica.

Materias Primas ProduccinTotal (en milesde t) (a)

Conversin aetanol (l/t)(b)

Potencial de etanol(mil millones de l)(a)*(b)

Participacinpotencial deetanol

Caa de azcar 635530 81 51.5 55.3%

Maz 80016 410 32.8 35.2%

Mandioca 36495 180 6.6 7.1%

Sorgo 5362 402 2.2 2.3%

ame 619 n/d n/d n/d

Remolacha azucarera 1833 32 0.1 0.1%

FUENTE: Ganduglia y equipos de proyectos de biocombustibles de ARPEL 2009.

El bioetanol representa actualmente ms del 94% de la produccin mundial de

biocarburantes, son la mayora provenientes de la caa de azcar [5]. Alrededor del 60%de la produccin global de bioetanol proviene de la caa de azcar y el 40% de otros

cultivos [6].Brasil y Estados Unidos son los lderes mundiales, que explotan la caa deazcar y maz respectivamente, y que en conjunto representan alrededor del 70% de

la produccin de bioetanol del mundo. Sin embargo, los EE.UU. y Brasil no son pases

productores de petrleo independientes. Los diez primeros productores de bioetanol se

presentan en la tabla 2.3.

Tabla 2.3. Produccin de etanol a nivel mundial hasta el ao 2006 (mill. Litros) [7].

Pas 2010 2011

USA 36,249 38,566

Brasil 35,394 36,996

China 5,723 5,363

India 3,399 3,930

Francia 1,108 1,350

Alemania 634 967

Rusia 749 647

Canad 539 779

Espaa 553 664

Sur frica 490 506

Tailandia 359 453

Reino Unido 348 280

Ucrania 296 269


25

Colombia a 107 332

Polonia 320 370

Total 4476,873 5353,205a Estos datos corresponden al bioetanol producido en nuevas destileras cuya construccin empez

en 2005 [8]; el alcohol industrial y de bebidas alcohlicas no son incluidos, aunque su porcin es

significativamente baja. Modificado po la Asociacin de Combustibles Renovable (Renewable

Fuels Association), 2007.

En Brasil, por ejemplo el bioetanol derivado en su mayora de la caa de azcar se usa

puro o mezclado con la gasolina en una mezcla llamada gasohol que contiene 24% de

bioetanol y 76% de gasolina) [9]. En varios estados de los Estados Unidos, el primer granproductor de bioetanol usa una cantidad pequea de bioetanol, 10% por el volumen que

se agrega a la gasolina, conocido tambin como gasohol o E10. Tambin se usan

mezclas que tienen concentraciones ms altas de bioetanol en la gasolina, generalmente

en vehculos de fcil combustin que pueden operar con mezclas de hasta 85% de

bioetanolE85 [10].

2.2. Materias primas para la produccin de bioetanol de segunda generacin.

Ahora, el bioetanol producido a partir de materias lignocelulsicas, tambin llamado

bioetanol de segunda generacin, se presenta como alternativa de futuro a los

biocombustibles de primera generacin. La biomasa lignocelulsica no compite con el

mercado alimentario, y, al estar ampliamente distribuida, su coste es menor, lo que

contribuye a disminuir el precio final del biocombustible. La biomasa lignocelulsica

puede clasificarse en seis grupos principales:

I) Residuos agrcolas (p.ej. bagazo de caa de azcar, bagazo de maz, paja de trigo,

paja de arroz, paja de cebada). En la tabla 2.4 y 2.5 se encuentra el contenido de

celulosa, hemicelulosa y lignina para residuos agrcolas y subproductos de procesos

agrcolas respectivamente.

II) Maderas duras (p.ej. lamo, chopo).

III) Maderas blandas (p.ej. pino, pcea).


26

IV) Residuos celulsicos (p.ej. papel de peridico, lodos de papel reciclado, residuos de

papel de oficina).

V) Biomasa herbcea (p.ej. alfalfa, alpiste, limoncillo).

VI) Residuos Slidos Urbanos [11].

Tabla 2.4. Contenido de Celulosa, Hemicelulosa y Lignina en algunos residuos agrcolas (%p/p pesoseco) [12].

Material Celulosa Hemicelulosa Lignina

Paja de Cebada 38.6 17.2 12.3

Restos de maz 36-39 21-22 19-20

Paja de arroz 32-47 19-27 5-24

Paja de trigo 15-40 25-35 8

Tabla 2.5. Contenido de Celulosa, Hemicelulosa y Lignina en subproductos de procesos agrcolas(%p/p peso seco) [12].

Material Celulosa Hemicelulosa Lignina

Bagazo de caade azcar

40-45 30-35 20-30

Fibras de maz 13-18 35-40 7-8

Cascara de arroz 15-36 12-35 8-16

Cscara de soya 20-51 10-20 1-4

Entre las diferentes materias primas de origen lignocelulsico, la paja de trigo es una

abundante fuente de biomasa, principalmente en Europa. En el caso concreto del trigo,

cada kilogramo de grano produce 1,1 kg de paja [13]. Teniendo en cuenta la paja de trigoutilizada para alimentacin animal y para el mantenimiento de suelos, alrededor del 60%

de la produccin de paja de trigo mundial podra asignarse para propsitos energticos,

siendo una de las fuentes de biomasa lignocelulsica ms abundantes [14]. Asimismo,debido a su alto contenido en celulosa, la paja de trigo se plantea como una fuerte opcin

de materia prima en los procesos de produccin de etanol mediante hidrlisis enzimtica

y fermentacin [15,16].

En Mxico, se han planteado incluso otras alternativas de materia prima como Los

cultivos de algas en un sistema integral que tambin ofrecen un gran potencial para


27

producir biodiesel y bioetanol. Su rendimiento es hasta 10 veces ms que otros cultivos

[17].

2.4. Materia primas alternativas

La bsqueda de materias primas que no rivalicen con los alimentos usualmente

consumidos para la obtencin de bioetanol [18], ha suscitado el gran inters en indagarnuevos materiales vegetales que contengan material lignocelulsico en gran cantidad, que

no sean fcilmente atacados por parsitos o cualquier tipo de enfermedad, que tenga una

alta tasa de reproductividad [19] y cantidades limitadas de fertilizantes [20].

Es as como una de las alternativas corresponde a uno de los vegetales ms abundantes

y propagados en el mundo actualmente conocidas como malezas. Estas pueden ser de

tipo area o acutica, dentro de las cuales la Eichhornia crassipes (Martius) Solms-

Laubach (Jacinto de Agua) [21] es una maleza libremente flotante [22].

2.4.1. Distribucin Mundial

La Eichhornia crassipes es una planta proveniente de Sudamrica [23] presuntamenteoriginaria de la Amazonia Brasilera difundida por todo el mundo debido a que el ser

humano le ha dado su funcin ornamental, siendo introducida como especie extica en

otros territorios. Se puede encontrar en diferentes continentes del globo variando su

latitud entre los 40 N y 40 S en especial Asia y frica [24,25] han desarrolladoinvestigaciones debido a la alta propagacin de esta planta en diversidad de masas de

Agua dulce como el Lago Victoria [26] distribuido entre Kenia (6%), Uganda (45%) yTanzania (49%) [27].

En Asia se destaca estudios realizados en la India [28,29] y Tailandia comoemprendedores de proyectos debido a que son naciones muy afectadas por esta plaga

vegetativa.

2.4.2. Clasificacin taxonmica


28

Para iniciar esta planta que es considerada tambin como una plaga aprovecha los

nutrientes del hbitat acutico para solventar sus necesidades biolgicas, destruyendo los

ecosistemas de su entorno que involucran especies superiores (peces) y la demanda de

Oxigeno principalmente. Aunando ms en el Jacinto de Agua, se define su clasificacin

botnica a continuacin:

Reino: Plantae; Subreino: Traqueobionta (plantas vasculares); Superdivisin:Spermatophyta (plantas con semillas); Divisin: Magnoliophyta (plantas con flor); Clase:Liliopsida (monocotiledneas); Subclase: Lilidae; Orden: Liliales [30].

2.4.3. Caracterizacin del Jacinto de Agua

Es una planta acutica con rosetas de hojas soportadas por peciolos de pequea longitud

y de grosor considerado, variando de 50-100 cm (K.L.S Harley, 1996). En la foto de lafigura 2.1 se detalla las flores y hojas de tonalidad azules/violeta y verde,

respectivamente, en hbitat acutico.

Figura 2.1. Eichhomia crassipes [21]

Su tiempo de reproduccin es tan alto que en tan solo 5 das puede alcanzar su desarrollo

mximo en condiciones favorables (pH 6-8) e incluso en pH > 8, temperatura (25 a

27,5 C optima y variacin de nutrientes que otras plantas no soportaran [31].


29

2.4.4. Composicin Qumica de la Eichhornia crassipes

Muchos de los trabajos relacionados con el aprovechamiento de los biopolmeros de

azucares (Hemicelulosa-celulosa) y sus azucares obtenidos por hidrolizacin contenidos

en el Jacinto de Agua para la obtencin de bioetanol [32] han sugerido como nuevamateria prima a esta planta debido a su alto contenido de composicin de Hemicelulosa

en mayor porcentaje, celulosa y Lignina. En la tabla 2.6 se describen de diferentes fuentes

la composicin qumica, resaltando la Celulosa y hemicelulosa como fuente importante de

obtencin de etanol por bioconversin de Jacinto de Agua.

Tabla 2.6. Anlisis qumico del Jacinto de Agua de acuerdo diferentes fuentes [25]

Parmetros(% con baseen MS)

Abdelhamidy Gabr(1991)

Bolenzet al.(1990)

Chanakyaet al.(1993)

Patelet al.(1991)

Poddaret al.(1991)

Polprasertet al.(1980)

Gunnarsson yMattsson (1997)

Fresco Seco

Materia seca

(% p/V)

9,5 6,2 9,4 - - - - -

Materia

Orgnica

(VS)

74,3 - 83,65 - 83,61 - - -

Protena

Cruda

20 - - 11,9 16,25 - - -

Extracto

etreo

3,47 - - - 1,61 - - -

Fibra Cruda 18,9 - - - 16,34 - - -

Extracto libre

de Nitrgeno

31,9 - - - 49,41 - - -

Cenizas 25,7 15 - 20,2 16,39 - 35,6 52,07

Relacin C/N - - - - - 15,8 13,5 25,1

Fibra

detergente

Neutral

62,3 - - - 56,14 - - -

Fibra

detergente

cida

29 - - - 37,72 - - -

Hemicelulosa 33,4 22 33,97 43,4 18,42 - - -

Celulosa 19,5 31 18 17,8 25,61 - - -

Lignina 9,27 7 26,36 7,8 9,93 - - -

Agua Soluble - - 21,68 - - - -


30

Fsforo 0,53 - - - 0,53 0,5 0,26 0,32

Carbn 27,6 18,54

Nitrgeno - - - - 2,76 2,9 1,18 0,74

Magnesio 0,17 - - - - - - -

Calcio 0,58 - - - 2,29 - - -

Potasio - - - - 2,44 - 4,53 2,27

Adicionalmente se destaca la Protena cruda, cuya presencia aportara en gran medida el

Nitrgeno necesario para el crecimiento microbiano. El Jacinto de agua puede llegar a

contener nitrgeno, hasta el 3,2% de la MS y tienen una relacin C/N alrededor de 15 %.

2.4.5. Pre-tratamientos investigados para la Biomasa lignocelulsica de Jacinto deAgua

Dos de los pre tratamientos ms comunes para la pre hidrlisis en plantas acuticas es

Acido diluido y Alcalinos. La combinacin de pre tratamiento alcalino/oxidativo se ha

planteado como el ptimo para la hidrlisis enzimtica de Biomasa para esta planta. En la

tabla 2.7 se aprecia los diferentes pre-tratamientos propuestos a continuacin:

Tabla 2.7 Pre-tratamiento propuestos para el Jacinto de agua [32,33]

Pre tratamiento Sustancias Utilizadas Referencia

Acido H2SO4 (0.8-2 %) J.N. Nigam, 2002; Kumar, 2009; [32].

Alcalino NaOH (2-10 %) Abraham y Kurup, 1996.

Biolgico E. taxodii y Antrodia sp. 5898 F. MA et al, 2010.

Lquidos Inicos/Glicerol

Sales en estado liquido a T ambiente Guragain, Y.N, 2011.

Alcalino/oxidativo 1 % (w/v) NaOH // 31%H2O2 (w/v)

[33]

2.4.6. Utilizacin de Microorganismos

Las bacterias y hongos previstos para la hidrlisis enzimtica del sustrato celulsico-

hemicelulsico han variado desde las bacterias tpicamente conocidas como la S.

cerevisiae hasta microorganismos genticamente mejorados para la degradacin de

biopolmero.


31

Tabla 2.8. Microorganismos utilizados para la fermentacin del material lignocelulsico del Jacinto deAgua [34]

Microorganismo

Trichoderma reesei RUT C30 (Hongo) U.S. Aswathy, 2010.

Pichia stipitis // P. stipitis NRRL Y-7124 Kumar, 2009 // J.N. Nigam, 2002.

S. cerevisiae Abraham y Kurup, 1996.

2.4.7. Ventajas y Desventajas del uso de E. crassipes para la produccin deBioetanol

Los impactos ambientales debido a su alta tasa de reproduccin (LU Jianbo, 2008) y

reconocida dentro de las 10 malezas mas distribuidas en el mundo [34] son factores quese han reflejado en la destruccin biolgica sobre los ecosistemas fluviales adems de

perturbar la navegabilidad en ros, afluentes y lagos bloqueando canales de riego [35],decreciendo la pesca y transporte martimo, afectando las actividades cotidianas de

habitantes en la regin. Debido a los anteriores agentes negativos producidos por la

E. crassipes se ha profundizado ms en la erradicacin de la misma.

Los clsicos Mtodos de control Fsicos qumicos [36]; Ram-Moolani 2000; Olaleye andAkinyemiju, 1996) y Biolgicos (Shabana-Mohamed, 2005; Babu et al. 2004) para el

Jacinto de agua han resultado ser insuficientes e incapaces de eliminar totalmente a

E. crassipes. Una de las posibles soluciones que aun no se han avanzado

tecnolgicamente es la utilizacin del Jacinto de Agua como materia prima para la

generacin de bioetanol y de biogs como combustibles del siglo XXI. Como resultado del

gran aporte de la biomasa lignocelulsica del Jacinto de Agua (30-55% de Hemicelulosa,

peso seco) [37].

Unas de las caractersticas propias de esta planta radican en la no competencia con otros

alimentos propios del consumo humano como recurso energtico [27,37]. En losterritorios aledaos a los cultivos de Jacinto de Agua aportaran socialmente a la

generacin de empleo debido a la necesidad de cuidado, cosecha, limpieza, transporte y

bio-conversin del mismo. Con la sugerencia de nuevas alternativas de materiales a partir


32

de residuos lignocelulsicos de Biomasa de Jacinto de Agua (BJA) aun no es econmica

ni tecnolgicamente sustentable [28].

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35

CAPTULO 3

PROCESOS DE PRODUCCIN DE ETANOL

3.1. GENERALIDADES

La combustin de combustibles fsiles es responsable del 73% de la produccin de CO2[1]. El uso continuado de combustibles fsiles para suplir la mayora de la demanda deenerga en el mundo amenaza con el aumento permanente en las concentraciones de

CO2 en la atmsfera y el calentamiento global. Este tipo de preocupaciones crecientes

sobre la proteccin del ambiente, el aumento de precios de aceite para la produccin de

biodiesel y la disminucin de las reservas mundiales de portadores de energa fsiles ha

atrado el inters cientfico al uso de bioetanol como un combustible de transporte.

Como la preocupacin sobre recalentamiento global y la dependencia en los combustibles

fsiles crecen, la bsqueda para fuentes de energa renovables que reduzcan las

emisiones de CO2 se vuelve una tema de atencin prioritario [2].

3.2. PRODUCCIN DE ETANOL

La figura 3.1 representa de manera general la forma de producir etanol a partir de

diversas materias primas.


36

Figura 3.1. Diagrama de la produccin de etanol a partir de diferentes materias primas [3].

3.2.1 Etanol de azcares simples

La materia prima principal para la produccin de etanol es la caa de azcar, en Brasil

por ejemplo el 79% de la produccin neta de etanol proviene del jugo de la caa de

azcar y el restante es producto de la melaza del bagazo siendo este ltimo la materia

prima principal en India.

El microorganismo ms empleado, es el Saccharomyces cerevisiae, debido a su gran

capacidad para hidrolizar la sacarosa y convertir en glucosa y fructosa, azcares simples

(hexosas) que se puede asimilar con mayor facilidad. La aireacin es un factor

fundamental para la produccin y crecimiento del Saccharomyces cerevisiae, aunque este

microorganismo tiene la habilidad de crecer en condiciones anaerbicas, las pequeas

cantidades de oxgeno son necesarias para la sntesis de sustancias como cidos grasos

y esteroles [4]. El oxgeno proveniente de la aireacin puede proporcionar algunosproductos qumicos como el perxido de hidrgeno que contribuye en la reduccin de

contaminantes bacterianos [5]. Por otra parte levaduras como Schizosaccharomycespombe, presentan la ventaja adicional de tolerar altas presiones osmticas (cantidades

altas de sales) y alto contenido de slidos [6,7]. Entre las bacterias, el microorganismoms prometedor encontrado en la literatura es el Zymomonas mobilis que tiene una

eficacia de energa baja que produce un alto rendimiento de etanol (un 97% de

rendimiento terico mximo). Sin embargo el rango de fermentacin es muy estrecho [8].


37

Otra desventaja del uso de esta bacteria durante la fermentacin del jarabe de la caa de

azcar y otro azcar basado en sacarosa es la formacin de polisacridos (levan) que

aumentan la viscosidad en la fermentacin y reduce la eficacia en la conversin de la

sacarosa en etanol [9].

Se ha encontrado en la literatura que la suma de un complejo enzimtico comercial de

amilasas, celulasas y el amilopectinasas permite la conversin de substancias no

fermentables en compuestos asimilables que mejoran la fermentacin alcohlica [10].

3.2.1.1. Lote y procesos semicontinuos

El proceso de Melle-Boinot es el proceso tpico para la produccin de bioetanol por la

fermentacin en lote. Este proceso comprende el peso y esterilizacin de la materia prima

seguida por el ajuste de pH con H2SO4 y de los grados Brix a valores entre 1422. El

producto obtenido se fermenta por las levaduras. El vino producido se decanta, se

centrifuga y se enva a la fase de separacin de etanol, considerando que las levaduras

se reciclan en la fermentacin para alcanzar una alta concentracin celular durante el

cultivo [11].

Alimentar el lote con bajos niveles en la concentracin del sustrato durante el curso de la

fermentacin mientras el etanol aumenta en el medio junto con el reciclaje celular, es la

tecnologa ms empleada en Brasil para la produccin de bioetanol debido a la posibilidad

de lograr productividades en trminos de volumen ms altas. Se plantea adems que la

suma de sacarosa puede llegar a aumentar la productividad de etanol [12].

Para alcanzar altas concentraciones celulares y bajo efecto de inhibicin se usan

levaduras durante la fermentacin en lotes repetidos. Estos lotes repetidos pueden

llevarse a cabo hasta el momento donde la actividad se pierde como consecuencia de

una alta exposicin al ambiente en la fermentacin. Cuando esto ocurre, el sistema debe

re-inocularse [4].

3.2.1.2. Procesos continuos


38

El plan y desarrollo de sistemas de fermentacin continuos ha permitido la aplicacin de

procesos eficaces y de menor costo en comparacin con los procesos semicontinuos en

trminos de construccin de biorreactores, mantenimiento y requisitos de funcionamiento

y productividad. Por esta razn, el 30% de los medios de produccin de etanol en Brasil

emplean los sistemas continuos de fermentacin [13]. Las ventajas que estos procesospresentan son debidas a la alta concentracin celular encontrada en ellos. Las

densidades altas pueden ser alcanzadas por las tcnicas de la inmovilizacin,

recuperacin y reciclaje de la biomasa celular, o crecimiento microbiano. La mayor

desventaja que presenta el proceso es que las levaduras cultivadas bajo condiciones

anaerbicas durante un largo espacio de tiempo disminuyan su capacidad de sintetizar

etanol. La aireacin tambin desempea un papel importante durante el cultivo continuo,

pues se estimula la productividad de etanol con el aumento del porcentaje de oxgeno en

el alimento [14].

La tcnica de procesos continuos se lleva a cabo a travs de una cascada de reactores

continuos, donde el etanol obtenido en los primeros reactores es transportado fcilmente

al siguiente disminuyendo as la capacidad de inhibicin; en otros casos se emplea un

fermentador que tambin reduce el efecto de inhibicin (tecnologa de Biostill) [11]. Sehan propuesto otras variantes de fermentacin continua, pero muchas de ellas todava no

han alcanzado el nivel comercial.

La estabilidad del medio es otro problema importante que considera la fermentacin

continua. Si el sistema se opera de manera inestable, cualquier perturbacin pequea en

los parmetros de entrada (como la proporcin de la dilucin, temperatura o

concentracin del sustrato del alimento) no podra compensarse por el medio y el sistema

puede empezar a operar bajo las ms bajas condiciones de productividad u oscilar con el

tiempo [4].

Una de las estrategias usadas para mejorar la fermentacin del etanol es la utilizacin de

clulas inmovilizadas que permiten la aplicacin de procesos continuos con los

rendimientos y productividades ms altos, y con las concentraciones celulares

aumentadas [14]. Hoy da, la mayora de las configuraciones que usan las clulasinmovilizadas est lejana del funcionamiento comercial.


39

3.2.2. Etanol de almidn

3.2.2.1. Hidrlisis del almidn

El almidn es una materia prima de alto rendimiento para la produccin de etanol, pero

se requiere la hidrlisis para producir etanol por fermentacin. El almidn es

tradicionalmente hidrolizado por los cidos, pero la especificidad de las enzimas

condiciona e impide reacciones secundarias y las amilasas son las enzimas catalizadoras

generalmente usadas para este proceso. La -amilasa obtenida de bacterias termo-

resistentes como el Bacilo licheniformis o Escherichia coli o Bacilo subtilis se usa

durante el primer paso de la hidrlisis en suspensiones de almidn. Para atacar el

almidn, estas suspensiones deben tenerse en altas temperaturas, para las amilasas (90

110 C) [15]. El producto de este primer paso, la llamada licuefaccin, es una solucin dealmidn que contiene dextrinas y pequeas cantidades de glucosa. El almidn licuado es

sometido a la sacarificacin a bajas temperaturas (6070 C) por medio de la

glucoamilasa obtenida generalmente de Aspergillus niger o especies de Rhizopus [16,17].

3.2.2.2. Produccin de etanol de maz

El etanol producido en EE.UU. es proveniente la mayor parte del maz. El maz es molido

para extraer almidn el cual es tratado enzimticamente para obtener por obtener el

extracto de glucosa y este es posteriormente fermentado. Hay dos tipos de maz que se

muelen en la industria: Seco y mojado. Durante el proceso de molienda del maz mojado,

el grano est separado en sus componentes, el almidn se convierte en etanol y los

componentes restantes o subproductos se venden; durante el proceso de molienda de

maz seco, los granos no estn fraccionados y todos sus nutrientes entran en el proceso y

se concentran en un subproducto de la destilacin utilizado para el alimento animal. En

general, la licuefaccin, sacarificacin y pasos de fermentacin son el mismo para ambas

tecnologas. La fermentacin se realiza usando S. cerevisiae y se lleva a cabo a una

temperatura entre 3032 C, empleando sulfato de amonio o urea como las fuentes de

nitrgeno, tambin se pueden agregar proteasas a la mezcla para mantener una fuente de

nitrgeno adicional [18].


40

Se ha planteado otro mtodo para mejorar la fermentacin de las masas de maz y otras

materias primas que consiste en supervisar y controlar el potencial de oxido-reduccin

[19]. Este mtodo permite lograr los rendimientos ms altos, el cultivo ms corto ydisminucin en la formacin de derivados. Procesos que involucran un grado ms alto de

integracin como el proceso de fermentacin y sacarificacin simultneo (SSF) se ha

llevado a cabo con xito, sobre todo en el proceso de molienda de maz seco [4]. En elproceso de molienda de maz mojado, el mtodo de cascada tambin es empleado; este

involucra la realizacin separada de sacarificacin y fermentacin dnde la hidrolisis de

dextrinas por glucoamilasa, la propagacin de levaduras, pre-fermentacin, y

fermentacin se llevan a cabo a travs de este sistema [4].

3.2.2.3. Produccin de etanol de trigo

Aunque el etanol de Francia es principalmente producido de las melazas de la remolacha,

tambin se produce del trigo por un proceso similar al empleado para la produccin de

etanol de maz. Se han hecho algunos esfuerzos por perfeccionar las condiciones de

fermentacin. Para reforzar la fermentacin, se han propuesto fermentaciones de

gravedad altas, particularmente para el caso de las masas del trigo. En este tipo de

proceso, la concentracin de los slidos disueltos excede los 200 g/L que implican una

alta carga de sustrato, obteniendo concentraciones de etanol ms altas, disminuyendo

cantidades de agua en el proceso y por ende reduciendo los costos de energa. Las

desventajas de esta tecnologa incluyen una larga fermentacin en trminos de tiempo, y

a veces fermentaciones incompletas probablemente causadas por la inhibicin del

producto, presiones osmticas altas y nutricin inadecuada [20]. La suma controlada decantidades pequeas de etanol durante la fermentacin ha permitido la reduccin en

tiempo del cultivo de 790h a 585h.

La fermentacin de masas del trigo a gravedades muy alta (VHG) tambin se ha

propuesto. Estas masas consisten, en hidrolizados de almidn de trigo que contiene 300 g

o ms de slidos disueltos por litro de masa, lo que implica altas concentraciones de

etanol que se obtienen de soluciones de azcar muy concentradas; que en sntesis puede

contribuir a disminuir las cantidades de agua si se aplica este tipo de tecnologa [21].Adicionalmente, la aplicacin de fermentacin de VHG aumenta la produccin de etanol


41

sin la necesidad de aumentar la capacidad de la planta. En el 2001 Bayrock e Ingledew

disearon y probaron un sistema que combina la fermentacin continua en muchas fases

y el cultivo de VHG para un material que contiene 150320g/L glucosa que usa el S.

cerevisiae, obtenindose una concentracin de etanol mxima de 132.1 g / L que indica la

viabilidad de llevar a cabo esta tecnologa en la industria, particularmente en la produccin

continua de etanol de almidn del trigo [22].

3.2.2.4. Produccin de etanol de la yuca

La yuca no slo representa una fuente alternativa importante de almidn para la

produccin de etanol, sino tambin para la produccin de jarabes de glucosa. De hecho,

la yuca es el tubrculo que ha ganado gran inters debido a su disponibilidad en pases

tropicales que son una de las diez cosechas tropicales ms importantes [4].

El primer paso del proceso es la molienda del tubrculo seco o las races frescas, luego

es mezclada con agua, cocinada, y licuada. El licuado es el sacarificado para obtener la

glucosa que se asimilar por la levadura durante el prximo paso de fermentacin. El

agua desechada puede tratarse por la digestin anaerbica para producir biogs puede

usarse para impulsar el proceso. No obstante, la cantidad de vapor generada no es

bastante para cubrir las necesidades del proceso, por lo que se requiere de gas natural u

otro combustible fsil [23].

3.3.1. Etanol de Lignocelulosa

La tercera forma de obtencin de bioetanol es a partir de biomasa, o lo que son llamados

materiales lignocelulsicos. En ellos, la fuente fundamental de azcares son celulosa y

hemicelulosa, compuestas por glucanos y arabinoxilanos, respectivamente [24].

La biomasa lignocelulsica como los residuos agrcolas (paja de maz, trigo y cebada,

bagazo de caa de azcar bagazo del sorgo dulce, entre otros), madera es el material

con mayor abundancia y disponibilidad en la tierra. La biomasa proveniente de la

lignocelulosa podra producir 442 billones de Litros por ao de bioetanol [25]. As, laproduccin potencial total de bioetanol proveniente de los residuos de cosecha son 491


42

billones de L/ao, aproximadamente 16 veces superiores que la produccin mundial

actual de bioetanol [26].

La estructura bsica de todo material lignocelulsico contiene tres polmeros: celulosa,

hemicelulosa y lignina cuyos porcentaje pueden variar dependiendo de la materia prima a

tratar, en la figura 3.2 se muestran los componentes estructurales de la lignocelulosa.

Figura 3.2. Componentes estructurales de la lignocelulosa [3].

3.3.1.1. Pre-tratamientos

La bioconversin de celulosa y hemicelulosa en etanol es ms compleja de lograr que el

almidn. Los pre-tratamientos tienen por objetivo romper la matriz de lignina presente en

el material, para dejar expuestos los distintos polisacridos para que sean reducidos a

azcares fermentables a travs de hidrlisis enzimtica, tal como muestra la figura 3.3.

En la misma lnea, los pre-tratamientos deben ser tales que minimicen la generacin de

compuestos inhibidores de las etapas posteriores del proceso de obtencin de bioetanol.

Figura 3.3. Diagrama de un pre-tratamiento para material lignocelulsico [1].


43

Los distintos pretratamientos que se realizan al material lignocelulsico se clasifican en

fsicos, qumicos, fsico-qumicos y biolgicos, tal como muestra la tabla 3.1 (figura 3.4.).

Tabla 3.1. Mtodos de pre-tratamientos de material lignocelulsico [4].

El pre-tratamiento de la materia prima debe cumplir con los siguientes requerimientos

para garantizar altos rendimientos en la produccin de azcares reductores:

- Aumentar la produccin de azcares reductores o incrementar la formacin de estos

azcares a travs de un proceso de hidrlisis enzimtica.

- Evitar la degradacin o prdidas de carbohidratos.

- Evitar la formacin de subproductos que puedan convertirse en agentes inhibidores de

los microorganismos fermentadores.

- El proceso debe ser econmicamente rentable y ambientalmente seguro [27].


44

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PRODUCCION DE ETANOL A PARTIR DE PROCESOS FERMENTATIVOS DELMATERIAL LIGNOCELULOSICO PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA 2012

45

En la figura 3.4, se detalla que la materia prima principal para la obtencin de etanol es

la biomasa lignocelulsica relacionndola con los diferentes tratamientos previos.

Algunos de ellos combinan dos tcnicas para mejorar la deslignificacin el caso de la

Steam Explosion y Alkaline treatment. Luego de la obtencin de residuos slidos

insolubles en Agua (WIS) se aplica la hidrlisis por enzimas comerciales o acido

Hidrlisis con posterior Fermentacin (Separate Hidrlisis and Fermentation)

obteniendo una mezcla de alcohol y otros componentes.

- Pre-tratamiento Fsico

a) Destruccin mecnica

El material lignocelulsico se reduce de tamao con el objetivo de exponerlo para

tratamientos posteriores; su tamao normalmente es de 1030 mm despus de cortar

y 0.22 mm despus de moler, cuando la molienda del material lignocelulsico est

acompaada de movimientos vibratorios para la digestin y se consume menos

energa (figura 3.5). En general, se busca dejar el material ms expuesto para el

ataque por soluciones cidas o por el tratamiento enzimtico, para poder reducir el

tamao de las fibras de celulosa presentes.

Figura 3.5. Requerimientos de energa dependiendo del tamao de la partcula de la materia prima.

b) Pirlisis


46

Usada para materiales lignocelulsicos como pre-tratamiento, se trata de un proceso

rpido que busca convertir la celulosa y hemicelulosa en azcares fermentables con

buenos rendimientos. El material es sometido a altas temperaturas, cercanas a 300

C, despus del proceso de molido, donde la celulosa se descompone rpidamente en

compuestos gaseosos. Si es tratado a temperaturas ms bajas se puede lograr

modificaciones estructurales, los cuales si son tratados con cido diluido dan la

posibilidad de obtener azcares que pueden ser fermentados para la obtencin de

etanol [28].

- Pre-tratamientos Fsico-Qumicos

a) Explosin a vapor (auto-hidrlisis)

Este proceso opera en un reactor donde se dispone el material lignocelulsico en

forma de continua. Constantemente se hace ingresar vapor saturado a altas presiones,

de forma que ste cubre todos los intersticios del material. Transcurridos unos pocos

minutos, una vlvula se abre sbitamente de forma que el material se rompe

totalmente debido a la reduccin de presin, liberndose la celulosa [29]. En esteproceso, la hemicelulosa en casi su totalidad es degradada [28], debido a que losenlaces tanto de tipo ter como ster se rompen durante el proceso. Un diagrama del

mismo se puede observar en la figura 3.6.


47

Figura 3.6. Esquema de planta piloto de explosin a vapor [29].

El reactor de explosin a vapor opera a temperaturas variables entre 160 y 260 C, a

presiones que varan entre 0,69 y 4,83 MPa. La adicin de dixido de azufre (SO2)

mejora la hidrlisis enzimtica posterior [4]. En general, los tratamientos mecnicosantes mencionados requieren un 70 % ms de energa que la explosin con vapor,

convirtiendo ste en uno de los ms efectivos pre-tratamientos de residuos agrcolas

[29].

En investigaciones realizadas con residuos de maz [30], con un pre-tratamiento deexplosin a vapor con cido al 3,0 % p/p y 190 C por 5 min, previa impregnacin del

material con cido, alcanzaron rendimientos de glucosa de 83,5% y de xilosa de

49,5%, registrndose un rendimiento global igual al 70,9 %. Slo una pequea parte

de glucosa es hidrolizada en el pre-tratamiento de explosin a vapor, mientras que

alrededor de un 10 % de los arabinoxilanos son hidrolizados. En la subsiguiente etapa

de sacarificacin el 63,9 % de la hemicelulosa y el 93,5 % de la celulosa presente en

el material pre-tratado son hidrolizados en xilosa y glucosa, respectivamente.

Para residuos de trigo los resultados son an mejores [31], alcanzndoseprcticamente un 100 % de azcares respecto al total hidrolizable (celulosa ms


48

hemicelulosa), despus de la hidrlisis enzimtica de material previamente tratado con

una explosin a vapor con cido sulfrico al 0,2 % p/p (anterior a la explosin el

material fue impregnado con este cido por toda una noche a condicin ambiente), a

190 C por 10 min [4].

b) Explosin con amoniaco (AFEX)

El mecanismo de operacin del reactor de explosin con amoniaco es relativamente

similar al de vapor, sin embargo la temperatura de operacin se realiza a 90 C por 30

minutos. La cantidad de amoniaco a utilizar es de 1 kg por kg de material

lignocelulsico en base seca. Por lo general, AFEX no solubiliza la hemicelulosa en

grandes cantidades, y no es muy efectivo para materiales con alto contenido de lignina

[33]. Para hacer el proceso ms efectivo y econmico es necesario recuperar elamoniaco residual, y las pequeas trazas de agua que puedan quedar para mejorar

las etapas posteriores [29].

En otro proceso que involucra amoniaco, denominado ARP (ammonia recycle

percolation: reciclo de amoniaco percolado), a altas temperaturas el material se hincha

obtenindose altos ndices de despolimerizacin de la lignina (alrededor de 70 % en

10 min a 170 C, 23, MPa con 15 % p/p de amoniaco) sin mayor degradacin de

xilanos y glucanos, y con ndices de digestibilidad enzimtica del material del orden de

un 90 % [32].

c) Explosin con CO2

Es un proceso muy similar a los dos anteriores, sin embargo, los rendimientos de

obtencin de azcares posterior a la hidrlisis enzimtica son relativamente bajos

comparados con los mismos. No genera compuestos inhibidores.

El aprovechamiento de las capacidades, ventajas y desventajas relacionadas con la

energa proporcionada a los sistemas, los costos de produccin, mantenimiento, los

costos de compra de las materias primas, proporcionan informacin general sobre la


49

viabilidad econmica de estos procedimientos a nivel industrial, recolectando a

continuacin algunas de las principales caractersticas y relacin entre los pre

tratamientos fsico qumicos (ver tabla 3.2).

Tabla 3.2. Caractersticas de los principales pre-tratamientos fsico-qumicos [32].

Pre-tratamiento Principales Caractersticas Consideraciones

Explosin a Vapor La solubilidad de la hemicelulosa y

extraccin de residuos slidos luego de la

explosin de vapor es muy eficiente. Su

debilidad radica en la generacin de un alto

contenido de compuestos txicos y la

descristalizacin de la celulosa se considera

un alto grado de efectividad en combinacin

con sustancias inorgnicas (cidos o

Hidrxidos) para la produccin de azcares. El calentamiento del

agua o las soluciones

cidas o alcalinas genera

un gasto adicional de

energa al pretratamiento.

Autohidrlisis El porcentaje de recuperacin de la

hemicelulosa se considera 80%y su alta

solubilidad en la misma lo caracteriza. El uso

de temperaturas no tan altas y la no adicin

de otras sustancias qumicas se consideran

como ayudas a la corrosividad de las

mquinas y proteccin del ambiente.

AFEX A diferencia de los mtodos convencionales

de adicin de las soluciones alcalinas y

posterior explosin de vapor, la explosin de

vapor de la solucin amoniacal adiciona una

caracterstica singular la cual es la

desfibilacin y descristalziacin de la

celulosa, aportando en gran medida un

mayor rea de contacto para la posterior

hidrlisis.

El perfeccionamiento de los pre tratamientos trmicos ha sido contribuido de igual

manera con la bsqueda de combinaciones de sustancias qumicas inorgnicas

(cidos- lcalis) diferentes al agua. Es preciso ahora reconocer los ms relevantes pre

tratamientos qumicos utilizados en la Biomasa Lignocelulsica.


50

- Pre-tratamientos Qumicos

Los pre-tratamientos qumicos utilizan solventes qumicos para la ruptura de la matriz

de lignina, con temperaturas no superiores a los 200 C y presiones inferiores a los 0,2

MPa.

a) Ozonlisis

En este proceso se agrega ozono al proceso para degradar la hemicelulosa y la

lignina. Para desechos de trigo se encontr que posterior a la hidrlisis enzimtica se

tienen rendimientos del orden de un 70 y un 90 % para glucanos. Para aserrn de

lamo se encontr que pre-tratndolos con ozono se pudo retirar alrededor de un 80 %

de la lignina con un 50 % de rendimiento en la hidrlisis enzimtica [3].

Entre las ventajas del proceso se tiene que no produce compuestos inhibidores y

puede ser llevada a condiciones normales de presin y temperatura. Entre sus

desventajas se tienen los altos costos de operacin del proceso [29].

b) Pre-tratamiento cido concentrado

Se tienen altos niveles de hidrlisis de celulosa cuando el material lignocelulsico se

pone en contacto con cido sulfrico concentrado H2SO4 a 121 C por 4 horas,

aunque, estos son txicos, corrosivos y peligrosos [29]. Adicionalmente, los cidosdeben ser recuperados para hacer el proceso econmicamente viable [3].

c) Pre-tratamiento cido diluido

Una solucin al 2 % (p/p) de H2SO4 o HCl se mezcla con el material solido y es

calentada a 121C por 3 a 4 horas. La aplicacin de soluciones diluidas de cido

sulfrico a temperaturas elevadas lleva a altos niveles de hidrlisis de celulosa,

posterior a la hidrlisis enzimtica. De la misma forma, se obtienen altas conversiones

de compuestos xilanos en xilosas. Por lo general, se utilizan temperaturas cercanas a

los 160 C, con porcentajes en peso de material lignocelulsico variables entre 5 y 40

% [33]. Sin embargo, otros estudios muestran que es posible llevar a cabo el procesoen autoclave a 121 C por 1 h y obtener niveles elevados de hidrlisis de celulosa en


51

el tratamiento enzimtico. A temperaturas mayores es posible reducir el tiempo de

residencia del tratamiento cido [3].

La cantidad de cido sulfrico a suministrar no supera el 2 % v/v, y se debe tener

cuidado en que no sea demasiado elevado, dado que se pueden obtener

componentes furfurales, fruto de la descomposicin de los azcares [29]. Posterior alpre-tratamiento se debe neutralizar la solucin, de tal manera que se pueda llevar a

cabo la etapa enzimtica.

Furfural e hidroximetilfurfural son productos de la descomposicin de los azcares

liberados en el pre-tratamiento cido, debido a las condiciones de acidez y de altas

temperaturas a las cuales se opera la reaccin de hidrlisis. Estos compuestos son

inhibidores de la etapa de fermentacin, bajando los ndices de rendimiento en la

produccin de etanol. Respecto a la lignina, el pre-tratamiento cido es capaz de

romper el enlace tipo ter que existe entre los cidos hidroxicinmicos (ferlicos o p-

cumricos) y la matriz de lignina. As, este pre-tratamiento permite hasta un 100 % de

remocin de la hemicelulosa (arabinoxilanos) sin disolucin de lignina [3].

d) Pre-tratamiento alcalino

La hidrlisis alcalina se lleva a cabo con soluciones diluidas de NaOH, produciendo

una reaccin de saponificacin rompiendo los enlaces de tipo ster (ver Figura 3.3)

que unen la hemicelulosa con la lignina [4]. La porosidad del material lignocelulsicoaumenta, gracias a la hinchazn que provoca el tratamiento de NaOH diluido

disminuyendo el grado de cristalinidad, y alteracin de la estructura de la lignina.

Algunas investigaciones postulan que el tratamiento es efectivo para materiales con

contenido relativamente bajo de lignina, del orden de 10-18 % [29] como en el casodel Jacinto de agua con un contenido aproximado de 9,7%, aunque se han encontradoimportantes ndices de solubilizacin de lignina para aserrn de lamo con contenido

de lignina de 22%.

Tambin, otras investigaciones han utilizado la adicin de un tratamiento alcalino

posterior a uno con cido diluido realizado a granos previamente utilizados para la

produccin de cerveza. En l se logran altos niveles de solubilizacin de lignina, sin

mayores prdidas de azcares como fruto de la hidrlisis en esta etapa. En la


52

subsiguiente etapa de sacarificacin enzimtica se logran ndices ms elevados de

obtencin de azcares, del orden de un 15% superior comparado a la utilizacin de

pre-tratamiento cido solamente [4].

El hidrxido de calcio, agua, y un agente oxidante (aire u O2) al ser mezclados con la

biomasa a temperaturas que van de 313 a 426K por un perod

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