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Utilización del Etanol en fluidos lignocelulosico.
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ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
1
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
3.1 Generalidades 32
3.2 Produccin de etanol 32
3.2.1 Etanol de azcares simples 33
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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
4.1 Generalidades 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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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5 CAPTULO 5. ASPECTOS AMBIENTALES RELACIONADOS CONEL ETANOL COMO COMBUSTIBLE
90
5.1 Generalidades 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
6.1 Generalidades 101
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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).
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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.
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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.
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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).
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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.
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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).
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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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ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
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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).
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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 - - - -
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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.
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
32
de residuos lignocelulsicos de Biomasa de Jacinto de Agua (BJA) aun no es econmica
ni tecnolgicamente sustentable [28].
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ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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.
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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.
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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].
ETANOL LIGNOCELULOSICO: ENERGTICO OBTENIDO DE PROCESOSFERMENTATIVOS DE LA BIOMASA PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA
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
PRODUCCION DE ETANOL A PARTIR DE PROCESOS FERMENTATIVOS DELMATERIAL LIGNOCELULOSICO PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA 2012
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.
PRODUCCION DE ETANOL A PARTIR DE PROCESOS FERMENTATIVOS DELMATERIAL LIGNOCELULOSICO PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA 2012
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
PRODUCCION DE ETANOL A PARTIR DE PROCESOS FERMENTATIVOS DELMATERIAL LIGNOCELULOSICO PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA 2012
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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
PRODUCCION DE ETANOL A PARTIR DE PROCESOS FERMENTATIVOS DELMATERIAL LIGNOCELULOSICO PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA 2012
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.
PRODUCCION DE ETANOL A PARTIR DE PROCESOS FERMENTATIVOS DELMATERIAL LIGNOCELULOSICO PRESENTE EN EL JACINTO DE AGUA 2012
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- 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
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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
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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