Ar Reg Lando

5/28/2018 Ar Reg Lando

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Produccin de biocombustibles: Etanol.

Microbiologa Industrial.1

PRODUCCIN DE BIOCOMBUSTIBLES: ETANOL.

1.- OBJETIVOS GENERALES:

1.1.- OBJETIVOS ESPECIFICOS:

2.- GENERALIDADES: PRODUCCIN DE BIOETANOL.

2.1.- INTRODUCCIN:El bioetanol, producto de fermentacin alcohlica de diversos materiales orgnicos atravs de la accin de microorganismos, est siendo de nuevo seriamente consideradoluego de la elevacin de los precios del petrleo. En la actualidad se trabaja

fundamentalmente en la bsqueda de materias primas baratas, que sustituyan a lastradicionales materias azucaradas, para alcanzar mayor eficiencia en los procesos defermentacin, recuperacin y purificacin de alcohol producido. La produccin debioetanol perdi importancia a finales de la primera mitad del siglo XX, al sersustituida por la produccin de etanol por va sinttica, a partir de derivados delpetrleo, que resulta ms barata, pero no puede ser utilizado en la preparacin dealimentos, bebidas alcohlicas, ni medicamentos. La elevacin de los precios delpetrleo hizo volver los ojos hacia la va fermentativa de produccin de etanol.

2.2.- PRODUCCIN DE BIOCOMBUSTIBLES: BIOETANOL.

MATERIAS PRIMAS Y SU IMPORTANCIA EN EL PROCESO FERMENTATIVO.Para la produccin de etanol han sido utilizadas diferentes fuentes de carbono comomateria prima; estas deben ser transformadas con facilidad en azcar fermentable. Suuso prctico estar determinado por el rendimiento en etanol, por su costo y el tipo demicroorganismo que se utilice.Varios autores, coinciden en definir 3 tipos de materias primas para la produccin deetanol:a) Materiales portadores de azcares simples que contienen carbohidratos comofuente de azucares (tales como jugo de caa de azcar, melazas, sorgo dulce, etc.)b) Materiales amilceos los cuales contienen almidn como fuente de azcares (tales

como la yuca, maz, papa, etc.)c) Materiales celulsicos, que contienen celulosa, hemicelulosa (tales como el bagazo,la madera, residuos agrcolas, etc.)El etanol se produce por fermentacin de estas materias primas con levaduras u otrosmicroorganismos. Las de la primera clase fermentan directamente.El segundo tipo consta de hidratos de carbono complejos, como el almidn, queprimero se deben convertir en azcares fermentables mediante la accin de enzimas.Las sustancias celulsicas de la tercera clase se convierten en azcares fermentablespor hidrlisis con cidos inorgnicos, principalmente.

2.2.2.- FUNDAMENTOS BIOQUMICOS DE LA FERMENTACIN ALCOHLICA.


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La secuencia de reacciones entre la glucosa y el piruvato se conoce por el nombre deruta de Embden- Meyerhof, o tambin de Embden-Meyerhof-Parnas, en honor a susdescubridores.Los sustratos ms comnmente usados para la fermentacin son los azcares, enespecial la D-glucosa. Una clase de fermentacin importante de la glucosa es lafermentacin alcohlica. Para muchas levaduras en un medio adecuado, la

fermentacin significa la conversin de hexosas, principalmente glucosa, fructosa,manosa y galactosa, en ausencia de aire, en los siguientes productos finales:

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2OAlrededor del 70 % de la energa es liberada como calor; el resto es preservado endos enlaces fosfatos terminales de ATP (trifosfato de Adenosina), para usarlo en lasreacciones de transferencia, tales como la activacin de la glucosa (fosforilacin) y deaminocidos antes de las polimerizacin.

2.2.3.- PRINCIPALES PRODUCTOS DE LA FERMENTACIN ALCOHLICA.Alcoholes: etanol, metanol, alcoholes alifticos con ms de 2 tomos de C, y

alcoholes superiores (isobutanol, alcohol isoamlico, amlico, llamados genricamenteaceite de fusel).Aldehdos: primordialmente acetaldehdo.. steres:acetato de isobutilo y acetato de isoamilo.cidos orgnicos: cidos voltiles: frmico, actico, propinico, butrico y lctico ytrazas de otros cidos grasos. cidos tartrico y mlico.Dixido de Carbono.

2.2.5.- MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA FERMENTACINALCOHLICA.El etanol se produce por va fermentativa siendo posible emplear diferentes

microorganismos en el proceso, entre los cuales se destacan la levadura S. cereviseaey la bacteria Z. mobilis.LEVADURAS:

Las levaduras son los microorganismos ms utilizados para la produccin de etanolpor la va fermentativa, debido a su alta productividad en la conversin de azcares abioetanol y a que se separan mejor despus de la fermentacin.

Adems, la produccin de toxinas es muy inferior a la de otros microorganismos.Entre las especies ms utilizadas estn: Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoideus, S.anamensisi, Candida seudotropicalis, S. carlsbergensis, Kluyveromyces marxianus,Candida bytyrii, Pichia stipatis, Schizosaccharomyces pombe y Pichiamembranaefaciens.

Caractersticas de las levaduras:

Grupo de hongos Ascomicetes (unicelulares), orden Endomicetales. Colonias muy parecidas a bacterias macroscpicamente pero ms cremosas yde colores; blancos, beiges o un poco ms oscuros. Algunas son rosadas o rojasporque tienen carotenoides. Manipulacin y siembra muy similar a las bacterias. Pared: quitinosa delgada. Ncleo muy cercano a la zona de gemacin. A ms vieja es la clula, mayor esla vacuola. Dimensiones: ancho 25 10 um y largo 45-21 um.


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Saccharomyces cerevisiae.

Saccharomyces cerevisiae: 10X, 40X.

REPRODUCCIN GEMATIVA.

Hongos unicelulares. La reproduccin asexual normalmente por gemacin. Poblacin en crecimiento de levaduras presenta yemas, producidas cuando laclula se divide.
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:S_cerevisiae_under_DIC_microscopy.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:S_cerevisiae_under_DIC_microscopy.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:S_cerevisiae_under_DIC_microscopy.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:S_cerevisiae_under_DIC_microscopy.jpg


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Principales levaduras:


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CONDICIONES AMBIENTALES: Temperatura: La mayora son mesfilas, temperatura mxima de crecimiento 24 y 48C. Pocas (2%) son psicrfilas, temperatura mxima de crecimiento por debajo de24C. No hay levaduras que puedan crecer a 50C. Kluyveromyces marxianus crece a48C, otras de molinos azucareros son capaces de proliferar sobre los 40C, ejemplo:Pichia polymorpha, Geotrichum capitatum, Saccharomyces cerevisiae y especies deCandida y Debaryomyces. Pocas desarrollan cerca de 0C, ejemplo: Yarrowialipolytica, Debaryomyces hansenii y Pichia membranaefaciens. PH: La mayora toleran pH 3 a 10. Prefieren ligeramente cido pH de 4,5 a 6,5. Issatchenkia orientalis, P.membranaefaciens, Dekkera intermedia y Saccharomyces exiguus pueden crecer a1.3-1,7. Las levaduras basidiomicticas, Rhodotorula y Crytococcus son especialmentetolerantes a los medios alcalinos, Saccharomycodes, Schizosaccharomyces y Dekkerano crecen a pH mayor que 8. Son inactivadas a presiones 7 a20 MPa.ASILAMIENTO Y CONSERVACIN:

Aislamiento en Agar Sabouraud Dextrosa.Para determinar el gnero se observan caractersticas morfolgicas y sexuales.

Para determinar especie deben hacerse pruebas bioqumicas y fisiolgicas. Probandola capacidad para fermentar diversos azucares.

Conservacin.Se pueden conservar por:

Subcultivo (resiembra) en medio Yeast morphology o yeast nitrogen base (DIFCO).Refrigeracin: Levadura fresca.

Liofilizacin: Con prdida de viabilidad de 1%/ao, y baja modificacin decaractersticas.

Congelacin: En presencia de crioprotectores (glicerol) 5-20%. La velocidad decongelacin debe ser 10C/min.

MEDIO DE CULTIVO:Sabouraud Glucosado Agar:

Medio utilizado para el aislamiento, identificacin y conservacin de hongos patgenosy saprfitos. Tambin es til para el cultivo de levaduras.

Fundamento:Medio de cultivo recomendado para el aislamiento y desarrollo de hongos,particularmente los asociados con infecciones cutneas (piel, pelo, etc.).En el medio de cultivo, la pluripeptona y la glucosa, son los nutrientes para eldesarrollo de microorganismos. El alto contenido de glucosa, la presencia decloranfenicol y el pH cido, favorecen el crecimiento de hongos por sobre el debacterias.


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Adems, al medio de cultivo, pueden agregarse otros agentes selectivos decrecimiento.

Siembra:Depende del uso, puede ser tanto en tubo como en placa. Consultar referencias demtodos recomendados.

Incubacin:El tiempo de incubacin depender del microorganismo que se est buscando aislar.

Resultados:

Microorganismos CrecimientoSaccharomyces cerevisiae Bueno

Aspergillus niger BuenoCandida albicans ATCC 10231 Bueno

Caractersticas del medio:Medio preparado: mbar claro, ligeramente opalescente sin ningn precipitado.

Almacenamiento:

Medio deshidratado: a 10-35 C.Medio preparado: a 2-8 C.

Presentacinx 100g :Cdigo: B02-

150-05x 500g :Cdigo: B02-

150-066x50ml: B04-150-84

Frmula (en gramos por litro) InstruccionesPluripeptona 10.0 Suspender 65 g del polvo por

litro de agua destilada. Reposar 5

minutos y mezclar hastauniformar. Calentar agitandofrecuentemente y hervir 1minuto hasta disolver. Distribuiry esterilizar 15 minutos a 118-121C. Mantener en lugar fresco,pues la exposicin al calorhidroliza los componentes.Distribuir en placas o en tuboscon cierre hermtico

Glucosa 40.0

Cloranfenicol 0.05Agar 15.0

pH final: 5.6 0.2


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Saccharomyces cerevisiae: La levadura Saccharomyces cerevisiae, es el organismouniversal para la produccin de bioetanol usando materias primas ricas en azcar yalmidn. Tiene una tolerancia a la concentracin de etanol de 10% (v/v) es laconcentracin mxima que permite el crecimiento de la levadura mientras que 15%

(v/v) es la mxima para el metabolismo fermentativo. En el caso de la temperatura latasa de produccin de etanol incrementa constantemente hasta 30C y suavementehasta 36C, pero decrece a temperaturas por encima de 37C.

2.2.5.1.- Zymomonas mbilis:

Zymomonas mobilis es una bacteria Gram-negativa, anaerobia facultativa que lleva acabo el metabolismo de la glucosa mediante la ruta de Entner-Doudoroff. Sumetabolismo es muy especializado y aporta la ventaja de que el 98% de la glucosametabolizada se convierte en etanol y CO2 equimolarmente y slo el 2% de la glucosase va a biomasa, de ah que se obtenga 1 mol de ATP por mol de glucosa fermentada.

La desventaja ms importante de Zymomonas mobilis es la limitada variedad defuentes de carbono que puede metabolizar (glucosa, fructosa y sacarosa).

2.2.5.1.1.- PRESENTAN LAS SIGUIENTES CARACTERISTICAS:

Tiene capacidad de produccin de bioetanol. Originalmente fue aislado de las bebidas alcohlicas, de palma africana, elmexicano pulque, y como un contaminante de la sidra y la cerveza en Europa. Z. mobilis degrada azcares a piruvato utilizando la va de Entner-Doudoroff. Una caracterstica interesante de Z. mobilis es que su membrana plasmticacontiene hopanoides, compuestos pentacclicos similares a eucariotas esteroles. Esto

le permite tener una extraordinaria tolerancia al etanol en el medio ambiente,alrededor del 13%.

2.2.5.1.2.- PRINCIPALES VENTAJAS:

Mayor absorcin de azcar y rendimiento de etanol (hasta 2,5 veces ms alta). Produccin de biomasa inferior. Mayor tolerancia al etanol de hasta 16% (v / v). No requiere la adicin controlada de oxgeno durante la fermentacin. Susceptibilidad a las manipulaciones genticas.Comparacin con Saccharomyces cerevisiae en la produccin de etanol:

Ventajas.

Tolera altas concentraciones de alcohol (127 g/L) y glucosa (300g/L). Posee una altatasa especfica de crecimiento (para Zymomonas mobilis de 10 a 13 h-1y paraSaccharomyces cerevisiae de 5 a 6 h-1). Alta productividad. 80 g/L de glucosa sonmetabolizados por Zymomonas mobilis produciendo una concentracin final de 39 g/Lde etanol en 9 horas, mientras que Saccharomyces cerevisiae produce 36 g/L deetanol en 11 horas, lo que corresponde a una productividad de 4.3 g/Lh y 3.3 g/Lhrespectivamente. Produce alto rendimiento de etanol 0.48 g etanol/g glucosa. Bajaproduccin de biomasa. Por ser un procariote puede ser fcilmente manipulada

genticamente. No requiere control ni adicin de oxgeno durante la fermentacin. Sumembrana plasmtica contiene hopanoides, compuestos pentacclicos similares a los


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esteroles eucariticos (permite una adaptacin de la membrana a los cambios detemperatura y a concentraciones de etanol de hasta el 10% durante la fermentacin).Lleva a cabo la sntesis metablica de hopanoides que le proporcionan la grancapacidad de crecer y sobrevivir en presencia de etanol. Su necesidad nutricional essimple.

Otras ventajas que presenta para llevar a cabo el proceso, destacndose

entre otras por:

Alta velocidad especifica de consumo de sustrato y de produccin de etanol.Rendimientos de etanol cercanos a los mximos tericos con relativamente bajaformacin de biomasa. Alta tolerancia al etanol hasta del 16% v/v. La facilidad con la que se puedemanipular genticamente. La bacteria Zymomonas mobilis realiza la degradacin de azcares a piruvatomediante la ruta de Entner-Doudoroff, esta es una va ms simple que la rutaEmbden- Meyerhof y permite una mayor tasa de produccin de etanol. Mayor velocidad especifica de consumo de sustrato y de produccin de etanol(Velocidad especifica 2-3 veces mayor que las levaduras). Alto rendimiento para el etanol y bajo para la biomasa comparado con laslevaduras, debido a las diferencias en el metabolismo del carbono (Entner-DoudoroffVs Glucolisis). Condiciones simples de crecimiento, pues Zymomonas mobilis es anaerobia(pero no es estricta) y no requiere la adicin controlada de oxigeno con el fin demantener la viabilidad celular a altas concentraciones de etanol, como si pasa con laslevaduras. Tolerancia al etanol comparable o mayor que las levaduras. Se han reportadoconcentraciones de etanol de 85g/l (11% v/v) para cultivo en continuo y de hasta127g/l (16% v/v) en cultivo Batch. Estudios a escala de laboratorio con Zymomonasmobilis durante muchos aos no han revelado problemas significativos decontaminacin o problemas ocasionados por infeccin de bacterifagos. El amplio rango de tcnicas de ingeniera gentica desarrollados para lasbacterias pueden ser utilizadas en Zymomonas mobilis con el fin de generar cepasrecombinantes. La secuencia completa del genoma de Zymomonas mobilis ZM4 provee nuevainformacin para emplear la ingeniera metablica con el fin de desarrollar productosadicionales de alto valor agregado. Uso potencial de las enzimas de Zymomonas mobilis en biotransformacinqumica.

2.2.5.1.3.- PRINCIPALES DESVENTAJAS:

A pesar de estas ventajas, varios factores impiden el uso comercial de Z.mobilisen produccin de etanol. El obstculo ms importante es que su gama de sustrato se limita a la glucosa,fructosa y sacarosa. De tipo salvaje Z.mobilis no pueden fermentar azcares C5 como xilosa yarabinosa que son componentes importantes de hidrolizados lignocelulsicos. A diferencia de E.coli y levadura, Z.mobilis no pueden tolerar los inhibidorestxicos presentes en los hidrolizados lignocelulsicos tales como cido actico y varioscompuestos fenlicos.


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La concentracin de cido actico en hidrolizados lignocelulsicos puede ser tanalta como 1,5% (w / v), que es muy por encima del umbral de tolerancia de Z.mobilis. Varios intentos se han hecho para disear Z.mobilis para superar susdeficiencias inherentes. Cepas resistentes al cido actico de Z.mobilis se han desarrollado poringeniera metablica, tcnicas de mutagnesis o mutacin adaptativa. Sin embargo, cuando estas cepas de ingeniera metabolizan azcares mixtos enpresencia de inhibidores, el rendimiento y la productividad son mucho ms bajos,evitando de este modo su aplicacin industrial.

Comparacin con Saccharomyces cerevisiae en la produccin de etanol:

Desventajas.

La bacteria Zymomonas mobilis es considerada una gran productora de etanol perotiene las desventajas siguientes:

Slo cataboliza glucosa, fructosa y sacarosa. Es inhbil para convertir el almidn demanera directa a azcares simples. No puede catabolizar manosa, galactosa, maltosa,lactosa, rafinosa, arabinosa, dextrina y manitol. Lleva a cabo el catabolismo de loscarbohidratos mediante la ruta de Entner-Doudoroff, esto ocasiona que haya unrendimiento de ATP de 1 mol por mol de glucosa fermentada, lo que hace querequiera de un flujo de carbono rpido, lo que la convierte en no apropiada para laformacin de biomasa. Los sustratos que puede catabolizar (glucosa, fructosa ysacarosa) son costosos.

La siguiente tabla resume algunos de los microorganismos utilizados y/o investigados

para la produccin de etanol a partir de diversos sustratos.

Tabla N 1: Microorganismos a partir de diferentes sustratos para la produccin deetanol.


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Uso de cultivos mixtos:Otros tipos de microorganismos que se utilizan en estos procesos son las bacterias yalgunos hongos como Mucor racemosus y del gnero Rhizopus.Con relacin al empleo de cultivos mixtos en la fermentacin alcohlica la UniversidadRafael Landvar de Guatemala reportan algunos trabajos con levaduras. Con cultivos

formados por dos levaduras: S. cerevisiae - S. carlsbergensis, en proporcin 4:1 en elorden mencionado, se favoreci el incremento en la produccin de alcohol, comoresultado de la fermentacin completa de la rafinosa por la segunda.

2.2.5.2.- Caractersticas principales de los cultivos microbianos utilizados en

la fermentacin alcohlica.

Diferentes investigadores han realizado evaluaciones de cepas alcoholeras de levaduraatendiendo a varios aspectos tales como: Tolerancia al etanol, Tolerancia a las altas temperaturas, Tolerancia a altas concentraciones de azcar, Rendimiento alcohlico, Eficiencia en la fermentacin y productividad.Tolerancia al alcohol:La tolerancia al etanol es un elemento importante en la seleccin de una cepa delevadura, pues de su capacidad de mantenerse activa en condiciones crecientes deconcentracin alcohlica en el medio depender el rendimiento del proceso.Tolerancia a la alta temperatura:Muchas levaduras son sensibles a la temperatura; si sta se eleva, la productividadpuede disminuir; los sistemas de enfriamiento son caros, por lo que hay una razneconmica para desarrollar cepas termotolerantes, que trabajen a temperaturas por

encima de 40C sin prdidas en la eficiencia, y que a la vez mantengan la estabilidadgentica.Tolerancia a la alta concentracin de azcares:Trabajar con altas concentraciones de azcares produce mayor eficiencia yproductividad del proceso fermentativo.Se reporta que la cepa T-17 de levadura S. cerevisiae, aislada del jugo de caa, poseealta tolerancia a la concentracin de azcares y a la temperatura, con elevadaproduccin de bioetanol. Se han realizado experiencias con cepas osmoflicas de S.cerevisiae, en la fermentacin del mosto a 26 Bx y se han alcanzadoconcentraciones de alcohol del orden de 11,4 % v/v. PH:El pH tiene una gran influencia en los productos finales del metabolismoanaerobio, por lo tanto es importante tener un control sobre esta variable durante eldesarrollo del proceso de fermentacin puesto que los microorganismos poseen un pHptimo en el cual tienen mayor velocidad de crecimiento y rendimiento. Las levadurastienen rango ptimo de pH que va desde 3.5 hasta 5.5. En el proceso defermentacin, el pH tiende a disminuir debido a la produccin de cidos, formados altomar los nitrgenos de los aminocidos perdiendo su carcter anftero.

2.2.7.- SISTEMAS TECNOLGICOS A TEMPLA UTILIZADOS EN LA ACTUALIDADPARA LA PRODUCCIN DE BIOETANOL.

El bioetanol se produce mayoritariamente en procesos discontinuos. Losfundamentales son:


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Sistema Jackemine: sin recirculacin celular, tiempos de fermentacinrelativamente largos y baja productividad, comparada con la del Melle Boinot. Sistema Melle- Boinot: recircula la levadura, limita el crecimiento celular ymaximiza la produccin de alcohol, a la vez que logra disminuir sensiblemente lostiempos de fermentacin debido a la alta densidad celular en el fermentador. Secaracteriza por su elevada productividad, 20-25 veces ms que el sistema Jackemine.

2.2.7.1.- PROCESO CONTNUO DE FERMENTACIN ALCOHLICA.

Un proceso continuo debe garantizar que los reactivos estn suficiente tiempo encontacto para que la reaccin ocurra en la extensin que se desea. A este tiempo sele llama tiempo de residencia y es igual al volumen del reactor sobre el flujovolumtrico. En los procesos microbiolgicos aerbicos se prefiere el uso de reactoresde mezcla completa.

PROCESO BIOSTIL ALFA-LAVAL:El proceso Biostil Alfa-Laval, es un sistema continuo de produccin de etanol donde

hay recirculacin de vinazas a la etapa de fermentacin.Mostos o vinazas de destilera:El mosto se obtiene como residuo de la destilacin de la baticin fermentada.El mosto o vinaza de destilera, que se considera un desecho, puede ser utilizadocomo una de las alternativas para las mezclas de sustratos en la fermentacinalcohlica, con un conjunto de beneficios al proceso de fermentacin, entre los cualesse puede citar:Fermentaciones ms rpidas debido al retorno de los nutrientes, principalmentecompuestos nitrogenados y sales minerales.Mayor acidez en los fermentadores, por tanto, fermentacin ms sana.Recirculacin de azcares eventualmente no fermentables y de levaduras muertas quevan a servir como nutrientes.ANTECEDENTES DEL BIOETANOL

1908: Henry Ford diseo el primer automvil que empleo bioetanol. 1920: Se comercializ en USA un 25 % de bioetanol en la gasolina. 1930: Construccin de una planta de etanol a partir de maz al que llamaron

gasohol".

1940: Cierre de la planta de gasohol, por los bajos precios del petrleo. 1970's: Crisis del petrleo.


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1980's: Surgen polticas energticas en busca de alternativas a la dependenciade los combustibles fsiles.

2.2.8.- MERCADO DEL ETANOL:

2.2.8.1.- Por qu se desarroll un mercado de etanol?

La dcada de los 90 fue la ms clida desde que se tienen registros. El siglo pasado,la Tierra se calent 0.6 C pero, segn el Panel Internacional sobre Cambio Climtico(PICC), las temperaturas aumentaran todava ms: de entre 1.4 C y 5.8 C para el ao2100.

Ello se debe a gran parte a las crecientes emisiones de gases, en especial el dixidode carbono generado por petrleo, que producen el efecto invernadero. Por ello, se hainvertido en distintas alternativas a travs de los biocombustibles y en especial etanol,

que representa el 90 % de ellos y es producido principalmente en Brasil.

Existen distintas razones por las cuales se debe desarrollar el bioetanol comocombustible:

Energa: Sustituir combustibles basados en petrleo para aumentar la seguridadenergtica, disminuir la dependencia frente a la volatilidad de los precios de petrleo,bajar los costos de combustibles o de las importaciones, disminuir la dependencia depases polticamente inestables.

Medio Ambiente: Disminuir daos ambientales relacionados con la cadena del

petrleo, como por ejemplo los derrames de petrleo, adems de reducir lacontaminacin. Es importante mencionar que el etanol contamina un 60 % menos quela gasolina, una cifra que algunos expertos consideran que podra ser todava mayor.

Desarrollo Rural y Agrcola: Apoyar a la agricultura nacional, mejorar lassituaciones econmicas de las reas rurales y de los ingresos de los agricultores.

El etanol tambin utilizado por aprovechando sus propiedades desinfectantes, sinembargo, el principal mercado a futuro se encuentra enfocado en su aplicacin comocombustible debido a las grandes ventajas que ofrece en esta rama.

ESTADO ACTUAL

PERSPECTIVA MUNDIAL

Los biocombustibles, a pesar de su gran expansin en los ltimos aos, cubrenapenas al 1 % del consumo total de combustibles para el transporte. Sin embargo,algunos pases han llegado a porcentajes ms altos de substitucin. Brasil llega a casi50 % en gasolina y EE.UU., segundo productor de etanol, al 2.5 %. En Brasil, el totalde la substitucin de los combustibles en base a petrleo llega actualmente a un pocoms del 20 % mientras que en EE.UU. es apenas del 1.8 %.


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Tabla 3.1: Principales productores de bioetanol en el mundo (2005).

Pas Produccin (millones por litroBrasil 16,500Estados unidos 16,230China 2,000Unin europea 950india 300

La Tabla 3.1 muestra a los principales productores de bioetanol en el mundo. Resultade gran importancia considerar que EE.UU. y la Unin Europea no podrn serautosuficientes en biocombustibles considerando la tecnologa actual. Si quierencumplir con las metas establecidas o por establecerse, tendrn que importar parte delos biocombustibles, bajar las restricciones comerciales y establecer un mercadoglobal.

Amrica Latina es una de las regiones con ms potencial para ofrecer biocombustibles,y etanol en especial, dadas sus ventajas climticas combinadas con una baja densidadpoblacional. As se refleja si comparamos los mayores productores de etanol, Brasil yEE.UU., que producen el 80 % de la oferta mundial.Para producir el mismo volumen de etanol, EE.UU. necesita el doble del rea de mazque Brasil con caa de azcar. Por tanto, para implementar una mezcla del 10 % en lagasolina, EE.UU. tendr que transformar la mitad de la produccin de maz en etanol,utilizando un 15 % de su tierra agrcola para la produccin de etanol. Brasil, por elcontrario, con el 1 % o 1.5 % de sus tierras actualmente cultivadas, podrareemplazar totalmente su gasolina por etanol. Para producir el etanol necesario parasustituir 10 % de gasolina en Estados Unidos, Brasil necesitar al 3 % de su tierraactualmente utilizada para agricultura. Sin embargo, esto podra cambiar en cinco a10 aos, una vez creada la posibilidad de producir etanol en base a celulosa a granescala.

Por otro lado, Universidad de Toronto concluye que no ser posible aumentar laproduccin de etanol con base en maz en EE.UU. ms all de una substitucin del 15% del consumo de gasolina. Solo con la produccin de etanol de celulosa ser posiblellegar a niveles ms altos, de hasta el 50 % de reemplazo de la gasolina, utilizandomateria prima producida en EE.UU.

2.2.9.- USOS Y APLICACIONES DEL ETANOL COMO BIOCOMBUSTIBLE:Como biocombustible el etanol es ms puro que el empleado para los otros fines. Porejemplo, mientras que la pureza del etanol o alcohol etlico para la medicina y lasbebidas alcohlicas es de 96% la del biocombustible debe ser del 99.5% al 99.9%.Puede ser empleado directamente como combustible o como un aadido a la gasolinaen distintas concentraciones. La mezcla ms comn es para oxigenar a la gasolina, enuna concentracin de alrededor de 5%, remplazando a un oxigenante llamado metilterbutil ter (MTBE), que es altamente contaminante del suelo y del aguasubterrnea.Tambin se usa en otras concentraciones que van del 10% al 85% del volumen totalde la gasolina, pero en esos casos los vehculos deben contar con modificacionesespeciales (vehculos Flex Fuel), debido a que el etanol puede corroer algunas partes

plsticas de los sistemas de inyeccin en el vehculo.


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E5: El biocombustible E5 significa una mezcla del 5 % de bioetanol y el 95 % degasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla mxima autorizada en laactualidad por la regulacin europea, sin embargo, es previsible una modificacin dela normativa europea que aumentar este lmite al 10 % (E10) ya que diferentesestudios constatan que los vehculos actuales toleran sin problemas mezclas hasta el

10 % de bioetanol y los beneficios para el medioambiente son significativos.

E10:El biocombustible E10 significa una mezcla del 10 % de bioetanol y el 90 % degasolina normal. Esta mezcla es la ms utilizada en EEUU ya que hasta estaproporcin de mezcla los motores de los vehculos no requieren ninguna modificacine incluso produce las elevaciones en octano en la gasolina mejorando su resultado yobteniendo una notable reduccin en la emisin de gases contaminantes.

E85: Mezcla de 85 % de bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehculos conmotores especiales. En EE.UU. las marcas ms conocidas ofrecen vehculos adaptadosa estas mezclas. Tambin se comercializan, en algunos pases (EE.UU., Brasil, Suecia)

los llamados vehculos FFV o Vehculos de Combustibles Flexibles con motoresadaptados que permiten una variedad de mezclas. Los Fuel Flexible Vehicules" (FFV)son vehculos de turismo que pueden utilizar como combustible tanto gasolinaconvencional derivada del petrleo como bioetanol en mezclas de hasta un 85 %(E85). Por tanto, son vehculos totalmente polivalentes, que ofrecen la posibilidad deutilizar energa renovable en su mximo estado de mezcla sin la necesidad deconsumir ms energa. Debido al respaldo de los gobiernos e instituciones hacia eldesarrollo de las energas renovables aplicadas en el sector de la automovilizacin,cada vez son ms los fabricantes que investigan y desarrollan vehculos de este tipo.

E95 y E100:Mezclas hasta el 95 % y 100 % de bioetanol son utilizados en algunos

pases como Brasil con motores especiales.

E-DIESEL:El bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivo solvente yproduciendo un biocombustible diesel el E-Diesel, con muy buenas caractersticas encuanto a combustin y reduccin de contaminacin ofreciendo otras alternativas albioetanol en el campo de los vehculos diesel. El E-Diesel ya se comercializa con xitoen EEUU y Brasil y pronto har su aparicin en Espaa y Europa.

ETBE:No se comercializa como un biocombustible, sino que se utiliza como un aditivode la gasolina. El ETBE (etil terbutil ter) se obtiene por sntesis del bioetanol con elisobutileno, subproducto de la destilacin del petrleo. El ETBE posee las ventajas de

ser menos voltil y ms miscible con la gasolina que el propio etanol y, como eletanol, se aditiva a la gasolina en proporciones del 10-15 %. La adicin de ETBE aletanol sirve para aumentar el ndice de octano de la gasolina, evitando la adicin desales de plomo.

2.2.9.2.- VENTAJAS EN EL USO DE BIOETANOL:

Generar etanol a partir de productos agrcolas presenta varias ventajas. Es una fuente de combustible renovable. Reduce dependencia del petrleo del extranjero. Es una fuente ms limpia de combustible. Aumenta el octano del combustible con un coste pequeo. Virtualmente utilizable en todos los vehculos.


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Fcil de producir y almacenar. Los biocarburantes emiten un 40-80 % menos de gases invernaderos que loscombustibles fsiles. El bioetanol es superior medioambientalmente al resto de los carburantes msimportantes. Reduce la formacin de la lluvia acida. Mejora la calidad del aire en zonas urbanas. No contamina el agua. Con su produccin puede reducirse los residuos. En mezcla con gasolina, aumenta el nmero de octanos y promueve una mejorcombustin. Reduce las emisiones contaminantes como monxido de carbono (CO) ehidrocarburos, con un bajo costo. Se estima que la reduccin es de 40 a 80 % menosde gases invernadero que los combustibles fsiles. Es virtualmente utilizable en todos los vehculos con motor a gasolina.2.2.9.3.- INCONVENIENTES EN EL USO DE BIOETANOL:

Para poder utilizar el bioetanol como combustible puro (E100) se necesita llevar acabo varias modificaciones dentro del motor, y as no alterar significativamente elconsumo. Estas son: Aumentar la relacin de compresin. Variar la mezcla de combustible / aire. Bujas resistentes a mayorestemperaturas y presiones. Conductos resistentes al ataque de alcoholes. Se debe agregar un mecanismo que facilite el arranque en frio.4.- PRODUCCIN DE BIOCOMBUSTIBLE ETANOL A PARTIR DEL MAZ.

4.1.- RESUMEN:El etanol es el alcohol producido a partir de la fermentacin de los azucares que seencuentran en los productos vegetales combinados en forma de sacarosa, almidn,hemicelulosa y celulosa. Dependiendo de su fuente de obtencin, su produccinimplica fundamentalmente molienda, fermentacin y destilacin de las mismas. Sepuede obtener a partir de 3 principales tipos de materias primas, como: Materia ricaen sacarosa (la melaza de caa de azcar y sorgo dulce), materia rica en almidn(cereales y tubrculos), materia rica en celulosa (madera y residuos agrcolas).En la actualidad se conocen tres procesos: Molienda en hmedo; donde se remueve lamxima cantidad de almidn del grano siendo este posteriormente fermentado.

Molienda en seco; el grano limpio se muele para reducir el tamao de las partculas yse fermenta. Molienda en seco modificada; se introduce mejoras al proceso para elaprovechamiento del germen y las fibras, que son separadas y el resto del grano seenva a la fermentacin. Dando mayor valor agregado a los coproductos que lamolienda en seco tradicional.En este trabajo se analizaran comparativamente los principales procesos para laobtencin de etanol utilizando como materia prima maz. Examinndose los beneficiosy limitaciones de cada proceso considerando requerimiento de capital, capacidad deproduccin, rendimientos de etanol y coproductos, entre otros factores importantes.4.2.- INTRODUCCION:La produccin de etanol a partir de maz ha sido refinada y actualizada en aos

recientes, ganando en eficacia. Esta se realiza por dos procesos convencionales demolienda en hmedo y en seco. Esta ltima, ha sido modificada con el objetivo de


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aumentar el valor y la calidad de los coproductos.Existen tres procesos de modificacin de la molienda seca; Quick Germ (recupera elgermen), Quick Germ and Quick Fiber (extrae el germen y la fibra) y la EnzymaticMilling (recupera el germen, la fibra del pericarpio y la fibra del endospermo). Elbeneficio de estos procesos es la eliminacin de material no fermentable,incrementando la capacidad de produccin de etanol.4.3.- DESARROLLO:Se detallan los distintos procesos para la obtencin de etanol. Molienda en hmedo:Recepcin y limpieza: la materia prima se recibe y se analiza el contenido dehumedad, presencia de mohos y apariencia general. Si cumple con los controlesestndar de calidad se enva a un sistema de limpieza y posterior almacenamiento.Maceracin del grano: el grano se remoja en tanques por 30- 50 horas atemperaturas de 49-54 C en agua que contiene del 0,1 al 0,2 % de dixido deazufre, este ayuda a separar el almidn y la protena soluble y permite prevenir elcrecimiento de microorganismos no deseados manteniendo el pH cerca de 4. En elagua de remojo se disuelve un 6% de materia seca utilizable en la alimentacin deganados.Molienda gruesa: se muele el grano ablandado en un molino de friccin y se libera elgermen sin fragmentarlo, el cual se separa del resto del grano con hidrociclon, se lavapara quitarle el almidn adherido y se deseca para la posterior produccin de aceite.Molienda fina: el material restante se muele con molinos de impacto. Con el objetivode separar el almidn y las protenas de la fibra. La fibra (salvado) se elimina portamizado y se lava para quitar el almidn adherido, se escurre (con presin) y sedeseca para su utilizacin como alimento animal.Separacin del gluten y almidn: la mezcla almidn-protenas (gluten) se separamediante centrifugas continuas. El gluten con un 60 -70% de protena es centrifugadoy secado. Este es utilizado como alimento animal.El almidn es purificado por recentrifugacin para reducir el contenido de protenas amenos de 0.3 %. Este puede ser enviado a la etapa de hidrlisis o secado ymodificado qumicamente para su venta.Licuefaccin: el almidn mezclado con agua de proceso y enzimas (alfa-amilasa), escalentado para permitir la licuefaccin a 83 C. Posteriormente se agregancomponentes qumicos (nutrientes y regulacin de pH) y se esteriliza a 110 C.Sacarificacin: la solucin es enfriada a 60 C tras el agregado de otra enzima(glucoamilasa) que convierte las molculas de almidn en azucares simples.Fermentacin: al mosto enfriado a 35 C se le adiciona levadura (Saccharomycescerevisiae). Esta mezcla es fermentada por 2 das donde los azucares simples sonconvertidos en etanol y dixido de carbono.Recuperacin de la levadura: el producto de la fermentacin se pasa a travs de unacentrifuga donde se separa la levadura del resto. Esta es concentrada y tratada concido para eliminar las bacterias con el objetivo de ser reutilizada.Destilacin: el mosto, en una primera etapa, es concentrado hasta un 50-70%. Luegoes enviado a una columna de purificacin donde se separa por cabeza las impurezas(aldehdos y algunos esteres) y por la parte inferior un lquido residual que esconducido a la columna de rectificacin. En esta se obtiene los aceites de fuselconstituidos por cidos y alcoholes superiores y el etanol azeotrpico.Almacenamiento: el alcohol se condensa y se enva a tanque de almacenamiento.

En la figura N 3 se puede observar el diagrama de flujo del proceso, y en la tabla N

2 los principales productos obtenidos.


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Figura N 3: Molienda en hmedo.

Tabla N 2: Principales productos de la molienda hmeda.

Productos 1 Tn de MazEtanol 372,58 ltGluten Feed 241,08 kg

Gluten Meal 46,43 kgAceite de maz 26,79 kgDi xido deCarbono

303,58 kg

Coproductos derivados del sistema de produccin.Los principales coproductos se describen a continuacin:Germen: se obtiene en menor cantidad y es el coproducto ms valioso. Se utiliza en laproduccin de aceite de maz. El residuo de la extraccin, al tener una proporcin deaceite incluida, se utiliza como componente de alimentacin animal adicionada algluten feed o como harina de germen de maz.Gluten Meal: (harina de gluten de maz) es un producto de alto contenido proteico y

energtico. Consiste en un 60 % de protenas y pequeas cantidades de almidn yfibras no recuperadas en el proceso.Gluten Feed: (alimento de gluten) es un producto de protena intermedio rico en fibraaltamente digerible. Contiene aproximadamente 21% protena, 2.5% grasa, 8% fibra,y en menor proporcin vitaminas y aminocidos. Puede adicionarse licor de remojo yharina de germen de maz. Este producto se vende tanto hmedo como desecado. Enel producto seco el salvado, los elementos extractivos del maz y la harina de germense mezclan, se secan, se muelen y se peletizan para facilitar el manejo. El alimento degluten de maz hmedo se prensa hasta un 35% de materia seca, antes de que seagregue el licor de remojo. Estos se utilizan para alimentacin de ganado, aves,cerdos y mascotas.Licor de Remojo: se conoce tambin como elementos extractivos fermentados de mazcondensados. Este contiene disuelto un 6% de materia seca que se concentra hasta


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un 50%, para luego ser combinado con el alimento de gluten de maz o vendido comoaglutinante de pelets.Dixido de Carbono: en la actualidad se captura solo un tercio de la produccin. Engeneral son las plantas de mayor capacidad de produccin las que lo aprovechancomercialmente, ya que normalmente no se justifica en fbricas menores la inversinrequerida, a menos que existan condiciones especiales de comercializacin. El anhidrocarbnico se utiliza para carbonatacin de bebidas (previa desodorizacin), para laextincin y prevencin de fuego.

Molienda en seco:Recepcin y limpiezaMolienda: se utiliza un molino de martillo con el propsito de romper el granofacilitando la penetracin del agua en la etapa de coccin.Licuefaccin, sacarificacin y fermentacin:son semejantes a las correspondientes enla molienda hmeda, diferencindose en que el total de los componentes del granoson utilizados en estas etapas.

Destilacin: se carga el mosto fermentado en la primera columna donde se separa elmaterial slido depositado en el fondo, continuando las etapas de concentracin,purificacin y rectificacin, coincidiendo estas con las de la molienda en hmedo.Almacenamiento

El diagrama del proceso se observa en la figura N 2, seguido por la tabla N 2 dondese resumen los principales productos.

Figura N 4: Molienda en seco.

Tabla N 3: Principales productos de la molienda en seco.

Coproductos derivados del sistema de produccin.El principal coproducto son los granos de destileras, que pueden ser procesados paraobtener algunos de los siguientes suplementos:

El residuo procedente de la primer columna de destilacin se bombea a losdecantadores de centrifugacin donde se separan la mayor parte de los slidos en

Productos 1 Tn de mazEtanol 405,27 lDDGS 321,44 kg

Di xido deCarbono

321,44 kg


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suspensin en forma de una torta denominados granos de destilados hmedos y unlquido llamado solubles de destileras (DDS). Estos se pueden reciclar una fraccin, ala conversin de almidn y el resto se concentra en evaporadores para formar un

jarabe espeso (CDS) que es utilizado para alimentacin de ganado.Los granos destilados hmedos (DWG) contienen aproximadamente el 65 % dehumedad, residuos no fermentados de los granos originales, levaduras y nutrientes

solubles. El cual puede ser vendido como tal o desecarlo hasta un contenido de 10%de humedad (DDG). Si se agrega el jarabe (CDS) a los granos de destilera hmedos(DWG) y si luego se secan, el producto resultante se refiere como granos de destileradesecados con solubles (DDGS) el cual es una fuente importante para la alimentacinde ganado, cerdos y aves de corral.

Molienda Modificada:Quick Germ: (Germen Rpido) El grano se remoja en tanques por 3-12 horas a 60 Cen agua. Luego el grano entero pasa a travs de un molino de discos de friccin, elproducto resultante es incubado con la enzima amilasa con el objetivo de incrementarla gravedad especfica lo que permitir la recuperacin del germen en un sistema de

hidrociclones, el cual es secado para la posterior extraccin de aceite. El resto delgrano es molido en hmedo y enviado a las siguientes etapas; licuefaccin,sacarificacin, fermentacin y destilacin, comunes a todos los procesos.Quick Germ- Quick Fiber: (Germen Rpido-Fibra Rpida) el grano es mojado, molido eincubado. Los parmetro del mojado e incubacin se ajustan para producir la flotacinde la fibra del pericarpio con el germen. Usando hidrociclones, estos son separados delos otros componentes. En una etapa posterior de aspiracin se separa el germen dela fibra. A continuacin, el resto del grano es molido en hmedo y enviado a lassiguientes etapas; licuefaccin, sacarificacin, fermentacin y destilacin, comunes atodos los procesos. La fibra recuperada se utiliza para la produccin de goma de fibrade maz como sustituto de la goma arbica, como aceite de fibra de maz y como fibra

dietaria.Enzymatic dry grind process:(Proceso Enzimtico de Molienda en Seco) comienza conun mojado de 12 horas, una molienda gruesa y una posterior incubacin enzimticacon amilasa y proteasa durante 4 horas (45- 55 C y pH 5.0). Despus de la etapa deincubacin, el germen y la fibra del pericarpio son separados como en el procesoQGQF. El resto se enva a una molienda fina, recuperndose la fibra del endospermopor medio de un cribado. El material remanente contina las etapas comunes a losprocesos anteriores.En figura N 3 se muestra el diagrama de flujo de las moliendas modificadas.


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Figura N 5: Molienda modificada.

Principales coproductos de la molienda modificada.Los procesos modificados de molienda en seco incrementan la cantidad decoproductos obtenidos, siendo mxima en la molienda enzimtica debido a laseparacin de los materiales no fermentables del grano (germen, fibra del pericarpio yfibra del endospermo). Como consecuencia de sta se incrementa la capacidad defermentacin y se reduce la proporcin de fibra en el DGS. En la tabla N 3 se puedeobservar la proporcin obtenida de coproductos en los distintos procesos modificados.

Tabla N 4: Coproductos producidos en los procesos modificados.

Coproductos QG QGQF E - Mill

Germen (%) 6,1 7,7 8,1Fibra del pericarpio (%) 9,1 10,2Fibra del endospermo(%)

4,6

Etanol (lt / Kg) 0,324 0,323 0,334DDGS (% protena) 36 49 58

Comparacin de los procesos de molienda modificadaEn la tabla N 5 se puede observar que con la misma cantidad de agua se procesa,para la molienda enzimtica, mayor cantidad de grano. En los tiempos de mojado yfermentacin no presenta variacin en los distintos procesos, verificndose unaconsiderable disminucin en el tiempo de fermentacin para QGQF y E - Mill debido aque se extrae una mayor proporcin de material no fermentable.

Tabla N 5: Parmetros operacionales de los procesos modificados.


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4.4.- RESULTADOS:

La mayor produccin de etanol se obtiene en la molienda en seco convencional(405,27 lt/ tn) seguida por la molienda en hmedo (372,53 lt/ tn) y por ltimo lamolienda enzimtica (334 lt/ tn), esta disminucin se debe a la perdida de almidndurante la recuperacin de coproductos.Con respecto a la capacidad de fermentacin, se puede decir, que es mayor en lamolienda hmeda, debido a que se fermenta el almidn, continuada por la moliendaenzimtica, donde se fermenta el almidn y el gluten y la molienda en seco queprocesa el grano entero. Los tiempos de fermentacin disminuyen a medida que seextrae material no fermentable.En la molienda hmeda se obtiene la mayor cantidad de coproductos (germen, fibra,gluten, almidn y dixido de carbono), teniendo como ventaja que una parte delalmidn se puede destinar a la produccin de etanol y el resto ser comercializadocomo tal. La molienda seca es en la que menor cantidad de coproducto se obtienen(DDGS y dixido de carbono) por lo cual, se han desarrollado nuevos procesos con elobjetivo de recuperar ms cantidad (germen y fibra) y mayor valor de coproductosdurante la produccin de etanol.La molienda en seco es la que tiene menor requerimiento de capital tanto en elmomento de construir como de operar la planta, en cambio la molienda en hmedo esun proceso de capital intensivo debido a la tecnologa aplicada, a los grandesvolmenes procesados de grano, entre otros. En los procesos de molienda modificada,es evidente que a medida que se extrae mayor cantidad de coproductos, mayor es elrequerimiento de capital tanto para construir como para operar la planta.

4.5.- CONCLUSIONES DE LA PRODUCCIN DE BIOCOMBUSTIBLE ETANOLA PARTIR DEL MAZ:

La molienda en hmedo es un proceso de capital intensivo donde se procesa un granvolumen de granos obtenindose una elevada cantidad de coproductos.En la Molienda en seco, se requiere un bajo capital en la instalacin y operacin de laplanta, existiendo pequeas perdidas de almidn en la recuperacin del coproducto.El proceso Quick Germ posee como ventaja la recuperacin del germen, incrementode protena en el DGS, aumento de la capacidad de produccin y prdidas enpequeas proporciones de almidn por la recuperacin de coproductos.Los aspectos favorables del Quick Germ Quick Fiber son la recuperacin tanto delgermen como de la fibra y se incrementa an ms la capacidad de produccin.En Enzymatic Milling se recupera el germen y la fibra del endospermo y pericarpio,este proceso es en el que obtiene la mxima capacidad de produccin de etanol.

Con el anlisis anteriormente expuesto, se concluye que el proceso conveniente adesarrollar en el proyecto final es la molienda enzimtica.

Universidad Iberoamericana Ciudad de Mxico.


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1.- RESUMEN

En la actualidad hablar de energa y no hablar de biocombustibles es casiimperdonable. El mercado de biocombustibles crece con pasos agigantados, mientras

los avances tecnolgicos procuran mantener ese ritmo de crecimiento. Es por ello quea lo largo de este proyecto se estudia la produccin de etanol en todas sus etapas;desde la fermentacin del almidn de trigo, hasta la purificacin del etanol. Si bien laconcentracin obtenida es lejana al grado anhidro, el trabajo plantea un ampliopanorama para su produccin, utilizando una materia prima poco estudiada. Elproceso seguido se detalla a lo largo del presente trabajo.

ObjetivosObtener etanol a partir de la fermentacin de almidn de trigo en el laboratorio.

2.- INTRODUCCION

En la actualidad hablar de energa y no hablar de biocombustibles es casiimperdonable. El tema del calentamiento global es de igual forma uno de los msmencionados, no solo en el argot poltico, sino entre la comunidad cientfica.

Los aumentos en la temperatura del planeta han sido el principal motor de una seriede teoras alrededor de los gases invernadero y sus efectos demoledores para elplaneta. Para solucionar, o por lo menos parchar temporalmente este grave problema,una de las herramientas ms aceptadas social y cientficamente es la sustitucin delos combustibles fsiles por energas alternativas y concretamente, hoy en da la msviable, la produccin de bioetanol.

El mercado de biocombustibles crece con pasos agigantados, mientras los avancestecnolgicos procuran mantener ese ritmo de crecimiento. Es por ello que a lo largode este proyecto se estudia la produccin de etanol en todas sus etapas; desde lafermentacin del almidn de trigo, hasta la purificacin del etanol, buscandoidealmente una solucin anhidra. Si bien esta ltima condicin no se cumpli, sellevaron a cabo todas las etapas. El proceso se describe a detalle a lo largo deltrabajo.

1. MARCO TEORICO.

1.1 BIOETANOLEl alcohol etlico o etanol es un producto qumico obtenido a partir de la fermentacinde los azucares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales,remolacha, caa de azcar, sorgo o biomasa. Estos azucares estn combinados enforma de sacarosa, almidn, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias alproceso de fotosntesis, en el que la luz del sol, el dixido de carbono de la atmosfera,el agua y los nutrientes de la tierra forman molculas orgnicas complejas como elazcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa dela planta.

El bioetanol se produce por la fermentacin de los azucares contenidos en la materiaorgnica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un


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contenido aproximado del 5 % de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizarcomo combustible.

El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poderenergtico con caractersticas muy similares a la gasolina pero con una importantereduccin de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustin.El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10 %, E5 yE10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales.

Un obstculo importante es la legislacin europea sobre la volatilidad de las gasolinasque a la proporcin de etanol en mezclas E5. Concentraciones ms elevadas,autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer de un vehculoflexible (FFV), con un deposito, motor y sistema de combustible nico capaz defuncionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporcin. La otraalternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-terbutil ter(ETBE).De esta forma, los principales objetivos de la produccin de bioetanol son:

Preparar mezclas con gasolina en lugar de otros aditivos como el ETBE (etil-terbutil ter) o el MTBE (metil-terbutil ter) en proporciones superiores al 5 %.

Usarlo como carburante en mezclas con gasolina hasta un 85 %. Suministrarlo como materia prima en la produccin del ETBE.Las principales fuentes actuales de produccin de bioetanol a nivel mundial son enorden alfabtico:

Caa de azcar. Maz. Remolacha. Sorgo dulce. Yuca.1.2 PRODUCCIN DE ETANOL A PARTIR DE ALMIDON DE TRIGOEl esquema general de fabricacin del bioetanol (Figura 4.1), muestra las siguientesfases en el proceso:

Dilucin:Es la adicin del agua para ajustar la cantidad de azcar en la mezcla o (enltima instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la


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levadura, usada ms adelante en el proceso de fermentacin, puede morir debido auna concentracin demasiado grande del alcohol.

Conversin:La conversin es el proceso de convertir el almidn/celulosa en azucaresfermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas

contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidn (o de la celulosa) con el cidoen un proceso de hidrolisis acida.

Fermentacin:La fermentacin alcohlica es un proceso anaerbico realizado por laslevaduras, bsicamente. De la fermentacin alcohlica se obtienen un gran nmero deproductos, entre ellos, el alcohol.

Destilacin o Deshidratacin:La destilacin es la operacin de separar, mediantecalor, los diferentes componentes lquidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma dedestilacin, conocida desde la antigedad, es la obtencin de alcohol aplicando calor auna mezcla fermentada.

Figura 4.1: Esquema general de fabricacin de bioetanol.

1.2.1SUBPRODUCTOS DE LA OBTENCIN DEL BIOETANOLLos subproductos generados en la produccin de bioetanol, es como el volumen de losmismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se puedenagrupar en dos tipos:

Materiales lignocelulosicos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes

estructurales de la planta. En general se utilizan para valorizacin energtica encogeneracin, especialmente para cubrir las necesidades energticas de la fase dedestilacin del bioetanol, aunque tambin se puede vender el excedente a la redelctrica (con precio primado).

Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilera de maz desecados con solubles(DDGS), que son los restos energticos de la planta despus de la fermentacin ydestilacin del bioetanol. Tienen inters para el mercado de piensos animales por suriqueza en protena y valor energtico.

La caa de azcar es la planta ms aprovechable por el bagazo generado para su

combustin y generacin energtica. La remolacha azucarera genera, por su parte,unas 0.75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido.


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La produccin de bioetanol a partir de trigo o maz genera en torno a 1.2 ton de DDGSpor tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofas alimenticias en cuanto alempleo del DDGS. Cuando el pienso est en el 15 % o menos de la dieta, el DDGSsirve como una fuente de protena suplementaria. Cuando el pienso esta en los niveles

ms altos (superior al 15 % de la dieta de la materia seca) su papel primario es comofuente de energa. El DDGS est compuesto de grasa en un 10-15 %, de fibra neutradetergente en un 40-55 %, de protena de crudo (CP) en un 30-35 % y de ceniza enun 5 %.

1.3 Produccin Industrial de Alcohol a partir de Almidn

Figura 4.2: Esquema general de produccin industrial de bioetanol.

1.4 Balance Energtico de la Produccin de Bioetanol

Para que el etanol contribuya perceptiblemente a las necesidades de combustible parael transporte, necesita tener un balance energtico neto positivo. Para evaluar laenerga neta del etanol hay que considerar cuatro variables: la cantidad de energacontenida en el producto final del etanol, la cantidad de energa consumidadirectamente para hacer el etanol, la calidad del etanol resultante comparado con lacalidad de la gasolina y la energa consumida indirectamente para hacer la planta de

proceso de etanol.

Aunque es un asunto que crea discusin, algunas investigaciones que hagan caso dela calidad de la energa sugieren que el proceso toma tanta o ms energa combustiblefsil (en las formas de gas natural, diesel y de carbn) para crear una cantidadequivalente de energa bajo la forma de etanol. Es decir, la energa necesitada parafuncionar los tractores, para producir el fertilizante, para procesar el etanol, y laenerga asociada al desgaste y al rasgn en todo el equipo usado en el proceso(conocido como amortizacin del activo por los economistas) puede ser mayor que laenerga derivada del etanol al quemarse.

Se suelen citar dos defectos de esta argumentacin como respuesta, en primer lugarel no dar importancia a la calidad de la energa del bioetanol, cuyos efectos


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econmicos son importantes. Si se compara la calidad de la energa con los costes dedescontaminacin del suelo que provocan los derrames de gasolina al ambiente y loscostes mdicos" de la contaminacin atmosfrica (porque no se puede descontaminarla atmosfera), resultado de la refinacin y de la gasolina quemada. Por otro lado, eldesarrollo de las plantas de etanol implica un prejuicio contra este producto basado

estrictamente sobre la preexistencia de la capacidad de refinacin de la gasolina. Ladecisin ltima se deber a fundar sobre razonamientos econmicos y sociales a largoplazo.

El primer argumento, sin embargo, sigue debatindose. No tiene sentido quemar 1litro de etanol si requiere quemar 2 litros de gasolina (o incluso de etanol) para crearese litro. La mayor parte de la discusin cientfica actual en lo que al etanol se refieregira actualmente alrededor de las aplicaciones en las fronteras del sistema. Esto serefiere a lo completo que pueda ser el esquema de entradas y salidas de energa. Sediscute si se deben incluir temas como la energa requerida para alimentar a la genteque cuida y procesa el maz, para levantar y reparar las cercas de la granja, incluso la

cantidad de energa que consume un tractor.Adems, no hay acuerdo en que clase de valor dar para el resto del maz, como eltallo por ejemplo, lo que se conoce comnmente como coproductor. Algunos estudiospropugnan que es mejor dejarlo en el campo para proteger el suelo contra la erosiny para agregar materia orgnica. Mientras que otros queman el coproductor paraaccionar la planta del etanol, pero no evitan la erosin del suelo que resulta, lo cualrequerir a ms energa en forma de fertilizante.

Dependiendo del estudio, la energa neta vara de 0.7 a 1.5 unidades de etanol porunidad de energa de combustible fsil consumida. En comparacin si el combustible

fsil utilizado para extraer etanol se hubiese utilizado para extraer petrleo y gas sehubiesen llenado 15 unidades de gasolina, que es un orden de magnitud mayor. Pero,la extraccin no es igual que la produccin. Cada litro de petrleo extrado es un litrode petrleo agotado.

Para comparar el balance energtico de la produccin de la gasolina a la produccinde etanol, debe calcularse tambin la energa requerida para producir el petrleo de laatmosfera y para meterlo nuevamente dentro de la tierra, un proceso que har que laeficiencia de la produccin de la gasolina fuese fraccionaria comparada a la del etanol.Se calcula que se necesita un balance energtico de 200 %, o 2 unidades de etanolpor unidad de combustible fsil invertida, antes de que la produccin en masa deletanol llegue a ser econmicamente factible.La Tabla 4.1 muestra el rendimiento de los cultivos utilizados para la produccin debioetanol. En la Tabla 4.2 se presenta la relacin entre la energa generada y laenerga consumida para los mismos cultivos.


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Tabla 4.1: Rendimiento de cultivos en la produccin de alcohol.

Tabla 4.2: Relacin entre la energa generada y la energa consumida.

5. Procedimiento ExperimentalEl procedimiento experimental que se llev a cabo para la realizacin de este proyectose muestra en forma esquemtica en la Figura 5.1. Cada uno de los pasos se describedetalladamente a lo largo de esta Seccin.


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Figura 5.1: Diagrama esquemtico del procedimiento experimental.

5.1. Pruebas Preliminares5.1.1.Solucin Almidn de TrigoSe prepar una solucin madre de almidn de trigo para realizar las pruebas de yodoy de azucares reductores. La solucin de almidn se realiz de la siguiente manera:

1. 0.507 g de almidn de trigo en 50 ml de agua destilada.2. Mezclar perfectamente y se almacena.5.1.2.Prueba de YodoLa prueba de yodo se realiz con la finalidad de determinar la presencia de almidn enla muestra. Una coloracin azul-morado, por la formacin de un complejo almidn-yodo indica un resultado positivo.

Reactivos:

Solucin de yoduro de potasio (KI) 5mM.

Solucin de yodo (I2) 5 mM.

Preparacin:

1. Se prepararon 6ml de una solucin KI/I21:1.2. Se tom una alcuota de 1ml de la muestra y se coloc en un tubo de ensayo.3. Se adicion 1.5 ml de agua destilada al tubo descrito anteriormente.4. Se colocaron 2.5 ml de la solucin KI/I2y se agregaron al tubo de ensaye con lamuestra y el agua. Se observ el cambio de coloracin.

5. Se calibra el espectrofotmetro a una longitud de onda de 580 nm con un blancoque contiene una solucin de 1:1 de la solucin KI/I2y agua destilada.

6. Se colocaron 3mL de la muestra del tubo de ensayo en una celda.7. Se introdujo la celda al espectrofotmetro, se ley el valor y se registr en labitcora.

Notas:

Al inicio de la hidrolisis cuando haba mucho almidn y forma el complejo con elyodo y se obtiene una coloracin azul intenso.

Al final de la hidrolisis cuando el almidn es muy poco y ya no hay complejo conel yodo y la coloracin es casi imperceptible.

5.1.3. Prueba de Azucares ReductoresLa prueba de azucares reductores tiene como objetivo determinar la presencia de


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grupos carbonilo libres (C=O), de ah su nombre. Esto implica la oxidacin del grupoaldehdo de la glucosa.

Reactivos:

1. Solucin de Sal de Rochelle (40 % w/v).2. Solucin DNS (cido dinitrosaliclico).Preparacin:

1. Se tom una alcuota de 2 ml de la muestra y se colocaron en un tubo de ensayo.2. Se adicion 2 ml de reactivo DNS.3. La mezcla se coloc en bao Mara a una temperatura de 90 C durante 15minutos hasta que se desarrolle una coloracin rojiza casi caf.

4. Se calibr el espectrofotmetro a una longitud de onda es 575 nm. Con un blancoque contiene una solucin 1:1 del reactivo de DNS y agua destilada.5. Se enfri a temperatura ambiente y se registr el valor de la absorbancia queregistra el espectrofotmetro a una longitud de onda de 575 nm.

Notas:

Antes de llevar la solucin a 95 C, cuando todava no hay reaccin entre laoxidacin del grupo aldehdo de la glucosa.

Despus de que se oxid el grupo aldehdo de la glucosa, por la accin de latemperatura, tornndose la solucin a color marrn.

5.2. Hidrolisis de Almidn de TrigoLa hidrolisis del almidn se llev a cabo en dos etapas. En la primera etapa se llev acabo la reaccin de la enzima -amilasa y la segunda por medio de la enzimaglucoamilasa, esto se realiz para obtener glucosa, porque esta es la fuente decarbono (sustrato) que requiere la levadura para crecer y poder producir el etanol.

Procedimiento:

1. En un matraz de 4 L se colocaron 3L de agua de la llave.2. Se pesaron 90 g de almidn de trigo y se colocaron en dicho matraz.3. Se pesaron 0.6 g de CaCl2y se coloraron en el matraz anterior.4. Se esper que la solucin gelatinizara.5. Despus se esper a que la temperatura alcanzara los 72 C y se colocaron 6 gde la enzima -amilasa. La reaccin se dej a temperatura constante durante 5 horas.

6. Se realiz una prueba de cuantificacin de almidn por medio de la prueba deyodo. Si la coloracin observada era lila o casi blanca se podra seguir con la segundaetapa de la hidrolisis. De otro modo, se dejaba reaccionar por ms tiempo hasta que

se presentara este color.


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7. Se enfri el matraz en un bao de hielo a 4 C y se adicion 1 ml de H3PO4paraobtener un pH de 4.2.

8. Se llev la solucin del matraz a una temperatura de 60 C y se adicionaron 9 mlde la enzima glucoamilasa, la reaccin se dej por 2.5 horas a temperatura constante.

9. Se realiz una prueba de azucares reductores, si la coloracin es rojo casi caf lareaccin de la hidrolisis est terminada.5.3. Experimentacin de la CinticaProcedimiento:

1. En un reactor biolgico de 3.25 L de volumen nominal se agregaron 2 L desolucin de almidn hidrolizada, el cual es el medio de cultivo y se le agregaron 10 gde nutrientes para levadura.

2. Se inocul al medio de cultivo del biorreactor, 500 ml de la solucin de levadura,que llevaba 24 hr con el inoculo.

3. Se esteriliz el inoculo y se lav perfectamente el biorreactor antes de laoperacin.

4. Se ajust el biorreactor a una temperatura de 30 C y una agitacin de 150 rpm.5. Se tomaron muestras de 10 ml aproximadamente cada 5 horas y se tom de ahuna alcuota de 6 ml y se colocaron en un tubo de centrifuga y se introdujo al equipopor 15 minuto a 4000 rpm.

6. Mientras tanto, a los 4 ml sobrantes se les realizo un anlisis de absorbancia.7. Al terminar el tiempo en la centrifuga se tomaron 3 ml del sobrenadante y sefiltr, se guard en un tubo con tapn, se etiquet y se guard en el congelador.

Medio de cultivo:

10 g/L dextrosa diluido en 100 ml.

10 g/L peptona de casena.

5 g/L de extractos de levadura (yeast extract).

1 g/L de NaCl.

Estos ltimos tres diluidos todos en 400 ml.

5.4. Pruebas de Alcohol1. Se tomaron 5 ml de la muestra sin diluir a la que previamente se le midi laabsorbancia.

2. Se colocaron en un tubo de centrfuga y se introdujo en el equipo, se ajust a4000 rpm durante 15 minutos.

3. Con una jeringa se tomaron 2 ml del sobrenadante resultante de lacentrifugacin.

4. Se filtr la solucin a un tubo con tapn.5. Se etiquet el tubo.


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6. Se tap el tubo y se almacen en el congelador.7. Al finalizar el experimento se recolectaron todos los tubos y se llevaron allaboratorio en donde se midi la concentracin de etanol utilizando una cromatografade gases (CG).

Descripcin del equipo:Marca: Waters.

Modelo: 2695.

Columna C-18 de 5 micras de 150 * 4.6 mm.

Condiciones de operacin del CG:

Isopropanol-Agua: 58-42.

Flujo: 1.2 ml/min.

5.4.1.Curva de calibracinUtilizando los datos que se muestran en la Tabla 5.1 se realiz una curva decalibracin, para estimar los valores de concentracin para la prueba de alcohol. LaFigura 6.1 muestra la ecuacin de la regresin lineal obtenida.

Tabla 5.1: Curva de Calibracin.

5.5. Destilacin y PurificacinPara aumentar la concentracin de alcohol de la solucin obtenida posterior a lafermentacin se llevaron a cabo cuatro etapas. Dos destilaciones y dos purificacionesen las cuales se utiliz acetato de sodio anhidro.La Tabla 5.2 muestra un resumen de los datos experimentales obtenidos para estascuatro etapas.

5.5.1.Primera y Segunda DestilacinLa primera destilacin se llev a cabo la destilacin en la columna de destilacin dellaboratorio de Ingeniera Qumica donde se hicieron 6 cortes midiendo laconcentracin de alcohol como %v utilizando un refractmetro. Cabe destacar que el

refractmetro est referenciado a 20 C, lo que puede causar errores en lasmediciones, no obstante, de acuerdo a los fines de este trabajo, dichas variaciones


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sern despreciadas.

La segunda destilacin se llev a cabo en una columna a escala laboratorio utilizandouna columna larga. De igual forma se midi la concentracin puntual en funcin deltiempo, as como la concentracin de los cortes.

5.5.2.Primera y Segunda PurificacinLas purificaciones se llevaron a cabo a escala laboratorio utilizando en ambasocasiones una columna corta. En ambos casos se utiliz acetato de sodio anhidro parafavorecer la separacin.

6. Resultados6.1. Pruebas PreliminaresTanto la prueba del yodo, como la de azucares reductores se llevaron a cabo de forma

cualitativa, resultando ambas positivas.

6.2. Balance de MasaRendimiento terico

Se realiza un balance de materia comenzando por los 90 g de almidn de trigo.Considerando que el almidn de trigo utilizado estuviera compuesto al 100 % dealmidn se hacen los siguientes clculos:

Tabla 5.2: Datos Experimentales para las Destilaciones y las Purificaciones.


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Asumiendo que el almidn est compuesto por n glucosas que todo el carbono deestas estuviera disponible para la produccin de alcohol, el rendimiento ser de 69 gde C2H5OH. Si se considera una densidad a 25 C de 798.5096 kg/m3:

Con base en el resultado obtenido y considerando que se obtuvieron 2.135 L al 2 %vAlc/Vol, es posible calcular el rendimiento terico de la fermentacin. Para el caso delas destilaciones se utiliz la ecuacin:


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Para el clculo del rendimiento de la etapa se considera que el valor de la destilacin nes el mismo que el final de la destilacin n-1. Los resultados se muestran en la Tabla6.1.

Si bien los rendimientos por etapa resultan altos es posible notar que disminuyen apartir de la segunda destilacin. Asimismo, por ms alto que sea el rendimiento, nojustifica el aumento mnimo en la concentracin de la solucin. El peor rendimiento seobtuvo para el caso de la primera destilacin. Esto debido quiz al serdesproporcionadamente grande respecto a nuestra muestra. A lo largo de la columnay al haber tanto volumen muerto existen una considerable cantidad de fugas yposibles mermas.

El rendimiento de la fermentacin resulta sorpresivamente alto, ms si se consideraque para obtener el valor terico se supuso que la totalidad de la masa utilizada en uninicio era almidn puro de trigo y que todo el carbono disponible se convertira enetanol. Cabe recordar que el almidn no es una cadena lineal. Si bien la hidrolisisfavorece la exposicin de gran parte del carbono, no todo queda expuesto y listo parala fermentacin.

Cuadro 6.1: Tabla de Rendimientos por Etapa.

6.3. Fermentacin

Durante la fermentacin se tomaron muestras del reactor para monitorear laconcentracin de alcohol. Esta se determin utilizando la tcnica de cromatografa degases. Para poder interpretar las reas de los picos fue necesario realizar una curvade calibracin (Figura 6.1). Los resultados de la concentracin de alcohol se muestranen la Figura 6.2.


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Figura 6.1: Curva de calibracin para las pruebas de alcohol en el CG.

Analizando la Figura 6.2 es posible observar como en un inicio, la concentracin dealcohol aumenta con una tendencia fuerte, la cual va disminuyendo conforme avanza

el tiempo, hasta llegar a un estado casi estacionario, e incluso un poco decreciente.Asimismo, es posible observar que la mxima concentracin es cercana al 5 %v, nomuy lejos del 2 %v obtenido a travs del ndice de refraccin. Cabe recordar la altaimprecisin de dicho aparato, no solo por las variaciones en la temperatura, sino porla naturaleza de su lectura.

6.4. Etapas de PurificacinLa Figura 6.3 muestra una tabla comparativa con el rendimiento para cada etapa y elporcentaje de alcohol de la solucin obtenida. Claramente se observa que la segundadestilacin, es decir, la primera realizada a escala de laboratorio no solo es la demayor rendimiento, sino la que en mayor proporcin aumenta la concentracin deldestilado.

Figura 6.2: Concentracin de alcohol durante la fermentacin.Podra argumentarse que el resto de las destilaciones y purificaciones fueron un tantoobsoletas, pues ms all de purificar ligeramente la solucin, causaron mermasimportantes en la muestra.

La Figura 6.4 muestra la variacin de la concentracin en funcin del tiempo paracada una de las etapas de purificacin. As mismo se comparan los valoresexperimentales con los tericos ideales. Si bien los valores resultan poco usuales, esposible notar con claridad que la primera destilacin es la nica notablemente

diferente al resto. Es decir, una vez finalizada la segunda destilacin, los cambios enla concentracin del destilado fueron prcticamente nulos.


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7. ConclusionesCon base en los resultados presentados es posible afirmar que se cumplieron losobjetivos del proyecto. Como se menciona a lo largo del reporte, se obtuvo etanol apartir de almidn de trigo, el cual fue posteriormente purificado. En una ltima

instancia se obtuvieron 13mL con una concentracin de 19.4 %v.Si bien la pureza obtenida dista considerablemente del grado anhidro, resulta un muybuen acercamiento para una primera instancia de experimentacin, con una sustanciapoco estudiada como lo es el trigo.

Figura 6.3: Rendimiento de las etapas de purificacin.


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Figura 6.4: Variacin de la concentracin en las diferentes etapas de purificacin.

El presente trabajo sienta las bases para futuras y ms minuciosasexperimentaciones, donde el medio de cultivo y las levaduras podran ser factores deinfluencia a considerar en el rendimiento de la fermentacin.

No obstante, el verdadero reto se encuentra en la purificacin. Con base en losresultados obtenidos y contrario a las expectativas, la primera destilacin, llevada acabo en una columna ms compleja que las dems destilaciones resulto en unrendimiento casi ridculo. Valdra la pena omitir ese paso, para reconsiderar el hechode utilizar dicho equipo.

Adems de las limitaciones tcnicas propuestas en el presente trabajo es necesarioconsiderar las limitaciones de viabilidad econmica y la sustentabilidad alimenticia.Ms aun considerando el pauprrimo rendimiento del trigo por hectrea,comparndolo con otras materias primas lignocelulosicos utilizadas para la produccinde bioetanol.

Es importante recordar que el bioetanol emite igual (o muy similar) cantidad de CO2que los combustibles fsiles y si bien uno de sus beneficios es ser un recursorenovable, el verdadero incentivo en su uso est en el balance global de CO2, pues losplantos necesarios para producir bioetanol consumen ms CO2 del que emite el

bioetanol producido. Desde el punto de vista energtico an se debate si su balancees favorable o desfavorable.

Estudiar un proceso desde su inicio hasta sus etapas finales resulta no solo muyinteresante, sino enriquecedor, pues en ocasiones se cree que para producir etanolhay que meter harina en un reactor, esperar, y cargar el tanque. Los procesosindustriales son mucho ms complejos que esto y nuevamente se demuestra que lasetapas de purificacin son sin duda alguna las ms caras del proceso.

El reto para el Ingeniero Qumico esta en mejorar estas etapas, aumentar losrendimientos y encontrar soluciones alternativas que permitan un desarrollo integral y

sustentable.

5.- CONCLUSIONES:

6.- BIBLIOGRAFIA:

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