Etapas en el proceso de obtención de bioetanol
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Fermentación
del azúcar
Destilación
En la gráfica inferior se esquematizan
las etapas que componen el proceso de obtención de bioetanol, que serán
detalladas más abajo.
Los cereales son la principal fuente para la producción
de bioetanol, destacando el uso del maíz en EE.UU. y la cebada y el trigo en
las plantas instaladas en España. Se trata de plantas pertenecientes a
Abengoa, primer productor europeo de bioetanol. En el caso de los cereales,
para los procesos de preparación de la materia prima y la obtención de los
azúcares que contienen, se utilizan principalmente dos tecnologías: Wet
milling y Dry milling.
Proceso de molido húmedo (Wet Milling Processes)
Esta tecnología se aplica normalmente en plantas con
grandes producciones de alcohol y es utilizada por aproximadamente dos
tercios de los productores en EE.UU.
Este sistema es elegido cuando se quieren obtener otros subproductos, tales
como el sirope, fructosa, dextrosa, etc. además de la producción del
alcohol.
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Es un proceso complejo, dado el elevado número de pasos a seguir en
el pretatamiento del maíz y su separación en sus diferentes componentes. En
este proceso, el maíz es “escaldado” en agua caliente, lo que ayuda a romper
las proteínas, liberar el almidón presente en el maíz y ablandar el grano
para el proceso de molido.
El maíz es molido para obtener el germen, la
fibra y la fécula. Con el germen se obtiene aceite y la fécula se centrífuga
y sacarifica para producir una pasta de gluten húmeda. En la gráfica
1 se
puede ver la secuencia sintetizada del proceso. |
Gráfica 1. Proceso de molido húmedo. |
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El proceso comienza con el secado de los granos,
posteriormente se inspeccionan automáticamente y se limpian de piedras,
trozos de caña o paja y cualquier otra impureza. El maíz se remoja en
grandes tanques en una solución que contiene pequeñas cantidades de dióxido
de azufre y ácido láctico. Estos dos productos químicos, en agua a una
temperatura de unos 50 ºC, ayudan a ablandar los granos, en un proceso que
puede durar entre uno y dos días. Durante este tiempo el maíz se hincha,
luego se ablanda y debido a las condiciones ligeramente ácidas de la
disolución se libera el almidón. La siguiente parte del proceso es pasarlo a
través de un separador que, principalmente, hace que el germen de los granos
flote en la parte superior de la mezcla y sea posible recogerlos fácilmente
(debido al contenido de aceite de estos). A partir de ahí primeramente se
obtiene la parte fibrosa y posteriormente se separa el almidón de las
proteínas por un proceso de centrifugación.
Proceso de molido en seco (Dry Milling Process)
Este proceso consiste en limpiar y moler los granos de
cereal hasta reducirlos a finas partículas por un sistema mecánico. Se
produce una harina con el germen, la fibra y la fécula del maíz. Para
producir una solución ‘azucarada’ la harina es hidrolizada o convertida en
sacarosa usando enzimas o una disolución ácida.
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Gráfica 2. Proceso de molido en
seco.
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La mezcla es enfriada y se le añade la levadura para que comience a
fermentar. En la gráfica 2 se puede
ver el proceso detallado.
De la masa resultante, una vez obtenido el alcohol, se
obtiene un subproducto (DDGS, en inglés Dried Destiller Grains of Solubles,
granos secos solubles de destilería, que se distribuyen en forma de pellets)
que se puede utilizar como alimentación para ganado. Esta tecnología es
usada en plantas de pequeño y medio tamaño.
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Las celulosas no pueden ser fermentadas directamente, es
necesario convertirla en azúcares más sencillos para su conversión en
alcohol. La hidrólisis es un proceso químico que divide la molécula de
celulosa por la acción de la molécula de agua. Las complejas estructuras de
la celulosa (celulosa, hemicelulosa y lignina) son divididas en diferentes
procesos para conseguir una solución azucarada, y eliminar productos de
descomposición de los azúcares que pueden inhibir o, al menos, dificultar el
proceso de fermentación. Principalmente se realizan procesos de hidrólisis
de ácidos concentrados y bajas temperaturas, de ácidos diluidos y altas
temperaturas y enzimáticos.
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Hidrólisis con ácidos concentrados
En este proceso se añade entre 70-77% de ácido sulfúrico
a la biomasa, que ha sido secada previamente hasta obtener una humedad menor
del 10%. La proporción de ácido es de 1:25 por cada parte de biomasa y se
mantiene a una temperatura controlada de 50ºC. Entonces se añade agua, para
diluir el ácido a un 20-30% de la mezcla, aumentando su temperatura hasta
los 100ºC. El gel producido en este proceso es prensado para obtener la
mezcla de ácido y azúcar, que finalmente son separados. Este es un proceso
del que se obtiene rendimientos muy elevados pero a un coste igualmente muy
elevado, por lo que industrialmente no se realiza.
Hidrólisis con ácidos diluidos
Es uno de los procesos de hidrólisis más antiguos,
simples y eficientes para la producción del alcohol. El primer paso es
mezclar una proporción de 0,7% de ácido sulfúrico con la hemicelulosa
presente en la biomasa, para que se hidrolice a 190ºC. La segunda parte
consiste en optimizar el rendimiento de la reacción con la parte de la
celulosa más resistente, para ello se usa un 0,4% de ácido sulfúrico a 215ºC.
Finalmente los líquidos hidrolizados son neutralizados y recuperados,
normalmente mediante percolación.
Hidrólisis enzimática
Consiste en “romper” (hidrolizar) la celulosa por la
adición de determinadas enzimas. La celulosa es degradada por las celulasas
a azúcares, que pueden ser fermentados por levaduras o bacterias para
producir etanol. En síntesis, el proceso consiste en descomponer la celulosa
y la hemicelulosa del residuo en azúcares sencillos y transformarlos en
etanol por fermentación. En primer lugar se lleva a cabo un pretratamiento
del residuo cuyo objetivo es alcanzar los mejores resultados en las etapas
siguientes (hidrólisis y fermentación). Desde el punto de vista económico,
esta etapa es crítica, puesto que gran parte del coste total del proceso
estaría en esta primera etapa. Como resultado del pretratamiento se obtiene
una disolución de azúcares provenientes de la ruptura de la hemicelulosa y
un residuo sólido (constituido principalmente por la celulosa del residuo
original).
La hidrólisis enzimática presenta ventajas frente a la
hidrólisis química, como menores costes de equipamiento (debido a que se
realiza a presión atmosférica y a temperatura próxima a la ambiental),
mayores rendimientos y no necesita utilizar agentes químicos.
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La última etapa del proceso consiste en la fermentación
por levaduras de la glucosa liberada a partir de la celulosa, así como la de
los azúcares procedentes de la hemicelulosa que se han liberado durante los
pretratamientos anteriores. La levadura
contiene una enzima llamada invertasa, que actúa cómo catalizador ayudando a
convertir los azúcares en glucosa y fructosa (ambos C6H12O6).
La reacción química es la siguiente:
La fructosa y la glucosa reaccionan con otra enzima
llamada Zimasa, que también está presente en la levadura para producir el
etanol y dióxido de carbono.
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La destilación
es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes
líquidos de una mezcla. Una forma de destilación, conocida desde la
antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla
fermentada. El alcohol producido por fermentación contiene una parte
significativa de agua, que debe ser eliminada para su uso como combustible.
Para ello se utiliza un proceso de destilación, aprovechando que el etanol
tiene un punto de ebullición menor (78,3ºC) que el agua (100ºC), la mezcla
se calienta hasta que el alcohol se evapore y se pueda separar por
condensación del mismo.
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