Proceso para la obtención de etanol a partir de la caña de azúcar

Procedimiento de simulación

RESUMEN

En este trabajo se muestran las tecnologías existentes para la obtención de etanol carburante a partir de una materia prima potencial de la agricultura Mexicana, la caña de azúcar. Se realizó la selección del proceso más adecuado para esta materia prima teniendo en cuenta factores económicos y ambientales. Finalmente se simularon los procesos escogidos, obteniendo resultados semejantes a los de los procesos reales correspondientes. Se demostró que las técnicas de simulación son una herramienta poderosa que permite minimizar tiempo, costos y experimentación en diseños de los bioprocesos como los de obtención de alcohol carburante.

La simulación de los esquemas tecnológicos para la producción de etanol anhidro a partir de caña de azúcar, se realizó usando el simulador de procesos Aspen Plus versión 11.1 (Aspen Technologies, Inc., EUA). Se empleó para el cálculo de los coeficientes de actividad el modelo termodinámico NRTL y para el comportamiento de la fase de vapor el Hayden-O’Conell. Los componentes que se tuvieron en cuenta para la simulación comprenden los provenientes de la materia prima e insumos: lípidos, proteínas, cenizas, fibra, almidón, azúcares, enzimas y amoniaco (como fuente de nitrógeno), y los formados

en la etapa de fermentación: etanol, dióxido de carbono, biomasa, acetaldehído, oxígeno, alcoholes de fusel y glicerol. Parte de los datos para la simulación de las propiedades físicas fueron obtenidos del trabajo de Wooley y Putshe (1996). La capacidad de las plantas simuladas fue de 537.720 L/d.. Para la simulación de las áreas de separación se aplicó el método corto DSTWU basado en el modelo de Winn-Underwood-Gilliland incorporado al Aspen Plus, que proporcionó una estimación inicial del número mínimo de etapas teóricas, de la relación de reflujo, la localización de la etapa de alimentación y la distribución de los componentes. El cálculo riguroso de las condiciones de operación en las columnas de destilación se desarrolló con el módulo RadFrac basado en el método de equilibrio inside-out que utiliza las ecuaciones MESH.

Para una producción de etanol anhidro de 537.720 L/d la materia prima requerida, calculada con base en un rendimiento promedio de 75 L/ton de caña es de 292,62 ton/h. La composición de la corriente principal de este proceso se presenta en la tabla 1, para el proceso a partir de caña de azúcar. De esta tabla se puede observar que las composiciones obtenidas coinciden con los datos de procesos industriales. Por ejemplo, el bagazo exhibe una humedad alrededor del 50%, la cachaza del 75% , al igual que un contenido de fibra del 46% en el bagazo. Los requerimientos de energía térmica por áreas y totales obtenidos a partir de los resultados de la simulación se encuentran en la tabla 3. En ella se puede observar que el proceso a partir de caña posee un requerimiento energético mayor, influenciado principalmente por el área de acondicionamiento. En esta etapa la materia prima requerida en el proceso a partir de caña es casi 6 veces la de maíz, lo cual incrementa notoriamente el consumo energético en la esterilización del jugo respecto al de la cocción del maíz.

PALABRAS CLAVES: Etanol carburante, simulación, caña de azúcar, maíz, diseño de procesos.

PROCESO A PARTIR DE CAÑA DE AZUCAR

Acondicionamiento

El acondicionamiento consiste de un lavado inicial de la caña con agua a 40ºC y posteriormente una molienda o trituración donde se extrae el jugo azucarado con agua a 60ºC, retirando como subproducto el bagazo con un contenido en fibra de alrededor del 46%, que puede ser utilizado en la generación de vapor. El jugo de caña obtenido se somete a un proceso de clarificación en el que se le agrega óxido de calcio y una pequeña porción de ácido sulfúrico con el fin de disminuir el pH a 4,5 y provocar la hidrólisis de la sacarosa en hexosas. En el recipiente clarificador se precipita un lodo, que debe ser retirado y enviado a un filtro rotatorio al vacío. De este filtro se obtiene una torta conocida como cachaza y un filtrado que es retornado al recipiente de clarificación. Finalmente el jugo proveniente de la clarificación es esterilizado a 105ºC y enviado a la fermentación, a la cual debe ingresar con un contenido en azúcares entre 130-180 g/L . En la figura 2 se muestra el esquema seleccionado del proceso de obtención de alcohol carburante a partir de la caña de azúcar.

INTRODUCCION

Actualmente el biocombustible más importante es el etanol, producto 100% renovable obtenido a partir de cultivos bioenergéticos y biomasa. El etanol carburante es utilizado para oxigenar la gasolina, permitiendo una mejor oxidación de los hidrocarburos y reduciendo las emisiones de monóxido de carbono, compuestos aromáticos y compuestos orgánicos volátiles a la atmósfera. El uso de alcohol etílico como combustible no genera una emisión neta de CO2 sobre el ambiente debido a que el CO2 producido en los motores durante la combustión y durante el proceso de obtención del etanol, es nuevamente fijado por la biomasa mediante el proceso de fotosíntesis. Entre los cultivos bioenergéticos más usados para la producción de etanol la caña de azúcar es la materia prima más utilizada en países tropicales tales como Brasil e India. En Norte América y Europa el etanol carburante se obtiene del almidón presente en el maíz y los cereales. Lo interesante que en México usar el maíz esta prohibido debido a que este mismo es un alimento básico. Por lo tanto en este proyecto nos enfocamos hacia el proceso mediante la caña de azúcar. El proceso de obtención de etanol a partir de caña de azúcar comprende la extracción del jugo de caña (rico en azúcares) y su acondicionamiento para hacerlo más asimilable por las levaduras durante la fermentación. Del caldo resultante de la fermentación debe separarse la biomasa, para dar paso a la concentración del etanol mediante diferentes operaciones unitarias y a su posterior deshidratación, forma en que es utilizado como aditivo oxigenante. Para el proceso de obtención de etanol a partir de maíz es necesario hidrolizar las cadenas de amilosa y amilopectina presentes en el almidón en azúcares apropiados para la fermentación. La degradación del almidón se lleva a cabo por procesos enzimáticos después de una etapa de gelatinización donde se solubiliza el almidón con el fin de hacerlo más accesible a las amilasas. El jarabe de glucosa resultante es el punto de partida para la fermentación alcohólica donde se obtiene una solución acuosa de etanol que debe ser enviada a la etapa de recuperación de producto, tal como en el caso de la caña de azúcar. En este trabajo se pretende realizar un estudio utilizando otras materias primas como la caña de azúcar. El diseño de procesos de obtención de alcohol carburante se hace muy complejo debido a la gran cantidad de variantes tecnológicas posibles. La simulación fundamentada en principios termodinámicos y cinéticos juega un papel fundamental en la síntesis de procesos, ya que permite reducir drásticamente el trabajo experimental, el cual podría tornarse poco efectivo si dicha síntesis se basa exclusivamente en resultados de planta piloto. De otro lado, aunque algunas compañías nacionales han  adquirido la tecnología de producción de alcohol carburante “llave en mano”, se hace necesario crear una base tecnológica sólida que permita en un futuro soportar las necesidades de adaptación y transferencia de este tipo en tecnologías que surgirán en la industria mexicana.

METODOLOGIA

CONCLUSIONES

La producción de etanol a parir de caña de azúcar puede describirse como un proceso compuesto de cinco etapas principales: Acondicionamiento de la materia prima, hidrólisis, fermentación, separación y deshidratación, y tratamiento de efluentes. Para la selección de las tecnologías en cada etapa se aplicó una metodología de evaluación cualitativa como se expone en donde se tienen en cuenta las ventajas y desventajas de cada tecnología con respecto a aspectos económicos y ambientales, dando una importancia de 80% a los factores económicos y 20% a los ambientales . En la figura 1 se muestran las tecnologías existentes para cada etapa de proceso y la configuración seleccionada para la simulación de acuerdo a cada materia prima.

Fermentación

En esta etapa se lleva a cabo la fermentación de glucosa y una parte de la fructosa en etanol y dióxido de carbono, mediante la levadura Saccharomyces cerevisiae que es continuamente recirculada desde una centrífuga ubicada aguas abajo del fermentador. Además de la producción de etanol se tuvo en cuenta la producción en forma estequimétrica de biomasa y otras sustancias como acetaldehído, glicerol y alcoholes de fusel. Los gases formados en la fermentación son retirados y enviados a una torre de adsorción en la cual se debe recuperar el 98% en masa del etanol arrastrado.

La simulación del proceso global de obtención de alcohol carburante a partir de una materia prima permite el subsiguiente análisis de las posibilidades de integración del proceso, así como proporciona las bases para el posterior diseño detallado del mismo y su optimización. El diseño de procesos de obtención de alcohol carburante se hace muy complejo debido a la gran cantidad de variantes tecnológicas posibles. La simulación fundamentada en principios termodinámicos y cinéticos juega un papel fundamental en la síntesis de procesos, ya que permite reducir drásticamente el trabajo experimental, el cual podría tornarse poco efectivo si dicha síntesis se basa exclusivamente en resultados de planta piloto. Por otro lado aunque los resultados obtenidos señalan notoriamente mejor producción de etanol con maíz, este esta prohibido en México debido a que es un alimento básico utilizado en pan, tortilla y mas cereales. Por lo tanto la mejor opción se encuentra en la caña de azúcar.

Separación y deshidratación

La destilación y la adsorción con tamices moleculares se usan para recuperar el etanol del caldo de fermentación  obteniéndose etanol a 99,5% en peso de pureza. La destilación se lleva a cabo en dos columnas, la primera remueve el CO2 disuelto (que es enviado a la torre de absorción) y la mayoría del agua obteniéndose un destilado con 50% en peso de etanol y unos fondos con una composición inferior al 0,1% en peso; en esta columna se alimenta junto al caldo de fermentación el etanol recuperado en la absorción proveniente de los gases de fermentación. La segunda columna concentra el etanol hasta una composición cercana a la azeotrópica. El agua restante es removida de la mezcla mediante adsorción en fase vapor en dos lechos de tamices moleculares. El producto de la regeneración de los tamices es recirculado a la segunda columna de destilación. Tratamiento de efluentes De las aguas de residuo en el proceso de obtención de etanol a partir de caña de azúcar las de mayor volumen son aquellas que provienen de los fondos de la primera columna de destilación, conocidas como vinazas. El tratamiento propuesto consiste en su evaporación y posterior incineración. La función del tren de evaporación (cuatro efectos) es concentrar los sólidos solubles y demás componentes poco volátiles presentes en las vinazas hasta un valor cercano al 12% en peso, ya que en esta concentración se hacen aptas para su incineración. Los condensados de los evaporadores son recolectados junto con los fondos de la segunda columna de destilación y utilizados como agua de proceso.