|
Conceptos Fundamentales |
|
|
Etanol de Maíz |
Etanol Celulósico |
|
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. |
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 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 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
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.