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Diseño de Procesos en Ingeniería QuímicaBioetanol

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BioetanolIntroducción

Los biocombustibles surgen como una solución potencial a las diversas crisis energéticas que se han producido en los últimos años ya que sustituyen los combustibles derivados del petróleo. Hay muchos beneficios para el medio ambiente, la economía y los consumidores en el uso de biocombustibles.(1)

El Bioetanol (alcohol etílico, alcohol de grano, CH3-CH2-OH o EtOH) es un biocombustible líquido que puede ser producido a partir de diferentes tipos de materias primas de biomasa y tecnologías de conversión. El bioetanol es un combustible alternativo atractivo debido a que es un recurso de base biológica renovable lo que implica que disminuye las emisiones de gases de efecto invernadero cuando se utilizan en mezclas con combustibles fósiles, solucionando en parte el problema de la contaminación

Actualmente, el bioetanol constituye la alternativa energética más promisoria, su producción mundial para el año 2007 fue de 55.700 millones de litros, los mayores productores son Brasil con 20.000 millones a partir de caña de azúcar y EE.UU, con 26.000 millones a partir de almidón de maíz. (2)

Existe una oportunidad importante para que México emprenda la producción de bioetanol a gran escala por lo que en el presente trabajo se presenta el diseño de un proceso para la producción de Bioetanol aplicado al Estado de Puebla.

Para la conversión a etanol fueron considerados como insumos: caña de azúcar, maíz, yuca, sorgo y remolacha azucarera, con las tecnologías maduras existentes y, en el caso de la caña de azúcar, se analizó la producción de etanol a partir del bagazo, cuya tecnología se encuentra en desarrollo. Con base en criterios de selección como: disponibilidad de una tecnología madura, costos, necesidades de inversión, superficie requerida, índice de energía neta y emisiones y mitigación de gases de efecto invernadero se seleccionó a la caña de azúcar como el cultivo más promisorio de inmediato, que puede ser complementada por otros cultivos a mediano y largo plazo.

Con potencial para producción de etanol, existen en México ya 58 ingenios azucareros, procesando la caña cosechada en 612 mil hectáreas y produciendo en torno de 5 millones de toneladas de azúcar por año. Una parte de estos ingenios posee destilerías, con una capacidad instalada para producir anualmente cerca de 167 mil m3 de etanol de todos os tipos, incluyendo 33 mil m3 de etanol anhidro. En los últimos años la producción de etanol es declinante, con un volumen de 39 mil m3 producidos en la zafra 2004/2005, a partir de miel residual de la producción azucarera. Considerando la producción de miel en los ingenios mexicanos y una productividad de 8.8 litros de etanol por tonelada de caña procesada, podrían ser producidos cerca de 400 mil m3 de etanol. (3)


2

México se divide en 14 regiones dedicadas al cultivo comercial de la caña para la fabricación de azúcar, el estado de Puebla pertenece a la región VI Balsas y tenemos la zona XV Izúcar- Atencingo que al 31 de mayo del 2013 según datos preliminares SIAP ocupa el noveno lugar a nivel nacional en producción de caña de azúcar por lo que establecer un proyecto de bioetanol en el estado es viable.(4)

SITUACION AL 31 DE MAYO DE 2013 CAÑA DE AZUCAR

Estado Superficie (ha) Producción (ton)

Rendimiento (ton/ha)

sembrada

cosechada

siniestrada

obtenida obtenido

CAMPECHE 12,579 9,902 635,848 64.215COLIMA 16,431 16,399 1,505,455 91.802CHIAPAS 30,962 29,412 2,885,037 98.092JALISCO 82,527 71,574 6,685,748 93.410MICHOACAN 13,971 13,968 1,361,778 97.491MORELOS 16,974 14,176 1,676,845 118.288NAYARIT 34,739 30,504 2,331,673 76.437OAXACA 70,593 60,754 4,369,303 71.917PUEBLA 18,474 17,405 2,117,334 121.650QUINTANA ROO

30,141 29,577 1,765,651 59.698

SAN LUIS POTOSI

72,568 59,294 4,312,572 72.732

SINALOA 24,706 18,931 2 1,646,156 86.956TABASCO 36,960 30,879 1,850,159 59.916TAMAULIPAS 61,825 42,728 3,271,227 76.559VERACRUZ 297,724 263,961 20,071,850 76.041TOTAL 821,175 709,465 2 56,486,635 79.619

Datos Preliminares. Fuente: Elaborado por el Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera (SIAP), con información de las Delegaciones de la SAGARPA.


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Selección de la ruta química Óptima

Procesos tecnológicos relevantes para producción de etanol

La figura siguiente sintetiza las rutas tecnológicas que pueden ser empleadas en la producción de etanol, sin representar los subproductos presentes en todos los casos. (3)

Procesos utilizando caña de azúcar

La materia prima clásica para producción de etanol es la caña de azúcar, por su alto rendimiento y simplicidad en el proceso para obtención de soluciones dulces fermentables.

Esencialmente dos reacciones son necesarias para convertir la sacarosa en etanol: una hidrólisis de la sacarosa, con producción de hexosas y la fermentación alcohólica, con auxilio de levaduras del tipo Saccharomyces Cerevisiae, como se indica en las expresiones siguientes.


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Considerando las varias fuentes de materia prima azucarada existentes en la agroindustria cañera, diversas alternativas pueden ser adoptadas para la producción de etanol, desde la fermentación directa del jugo de la caña hasta el empleo de soluciones acuosas de mieles finales o intermediarias, o aún mezclas de mieles y jugo.(3.2)

RELACIÓN INSUMOS – PRODUCTOS

Para tener un panorama más completo de los insumos y productos, véase la siguiente tabla.

Balance de insumos y productos para la producción de bioetanol a partir de distintos insumos derivados de la caña de azúcar

RubrosBioetanol

directo de jugo de caña

Bioetanol de melazas B

Bioetanol de melazas C

Insumos

Caña de azúcar 1 tonelada 1 tonelada 1 tonelada

Combustible (puede ser

remplazado por bagazo)

7.4 kg. Igual Igual

Electricidad (podría ser 12.5 kWh. Igual Igual


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producida a partir del bagazo)

Agua tratada 5,600 litros Igual Igual

Ácido sulfúrico 0.05 kg. Igual 0.026 kg.

Urea 0.1 Kg. Igual 0.052 kg.

Productos y subproductos para1 Ton de

Azúcar 0 92 Kg 112 kg.

Etanol anhidro 80 litros 17.1 litros 8.8 litros

Bagazo con 50% de humedad 264 kg. Igual Igual

Vinazas 780 a 1,248 litros 171 a 274 litros 88 a 141 litros

Cachaza 30 kg. Igual Igual

Levaduras 17.8 kg. 3.9 kg. 1.6 kg.

CO2 60.7 kg 13.3 kg. 6.9 kg.

Como se observa, los insumos son prácticamente los mismos para los tres métodos, mientras que las

diferencias están en los productos y subproductos. En tanto que en método directo del jugo de caña las

vinazas, la cachaza, las levaduras y el CO2 resultantes son más abundantes, se observa una disminución

significativa y progresiva para los dos métodos restantes.(5)

Costos de producción de etanol en México

El costo primo de la caña de azúcar en la producción de Bioetanol

Se analizará la tecnología en la producción de Bioetanol a partir del jugo de caña (no se considera la que usa melaza de caña en virtud de que en una visión de largo plazo, sería efímera y de relativo poco “cuantum”).

Los rendimientos esperados en litros de Bioetanol por ton de caña sería el siguiente (3):

a) Jugo de caña (guarapo) (14.5% de azúcares fermentables en tallos)


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80 litros de Bioetanol por tonelada de caña *

Costo primo con caña de temporal por litro $236.47/80 litros = $ 2.96 Costo primo con caña de riego por litro de Bioetanol $210.74/80 = $ 2.63

*Se abonaría a los costos el valor del bagazo sobrante (no se hace azúcar la caña destinada a Bioetanol) para cogeneración u otros productos.

SÍNTESIS DEL PROCESO

Producción de etanol de jugo directo de caña

RENDIMIENTOS (5)

El rendimiento de caña por hectárea es de aproximadamente 70 toneladas de caña verde.

Obtención de bioetanol directamente a partir del jugo de caña

Producir bioetanol del jugo de caña incrementa la producción de bioetanol, pero reduce los sub-productos, en especial la misma azúcar, de la que no se produce nada.

Para el caso de México se estima que una tonelada de caña con un porcentaje de sacarosa entre 13 y 14 % produce de 70 a 80 litros de bioetanol. En ese caso se espera un consumo de vapor cerca de 10% inferior al consumo en la producción de azúcar, debiendo mantenerse el tratamiento térmico del jugo y el ajuste del nivel de concentración buscando mejorar las condiciones en la fermentación.

Aunque la producción de bioetanol directamente del jugo reduce la flexibilidad de la empresa para diversificar sus productos de acuerdo a las condiciones del mercado (vendiendo melazas, azúcar o bioetanol), también reduce el costo de inversión, ya que no se requiere todo el equipo de cocimiento que pueden corresponder a 20% de las inversiones totales de un ingenio azucarero.

Las plantas agroindustriales operando dedicadas únicamente a la producción de etanol presentan como indicadores representativos los valores constantes de la Tabla 4.3, estimados con base en las condiciones observadas en los ingenios brasileños. Naturalmente que es posible esperar una variación en estos valores según cada contexto agroindustrial, en función de las características de la materia prima y las especificidades del proceso adoptado, en particular las condiciones de tratamiento del jugo y fermentación.


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.

COMPOSICIÓN DE LA CAÑA DE AZÚCAR(3)

Basado en el Documento de la secretaría de energía Potenciales y Viabilidad del Uso de Bioetanol y Biodiesel para el Transporte en México:

En cada tonelada de caña de azúcar verde o cruda lleva un 25% de cogollos y hojas, por lo que de cada

tonelada 750 kilogramos son los aprovechables.

Se considerará que a la entrada del proceso en la fábrica se tendrán 1000 kg de caña de azúcar compuesta

principalmente por sus tallos

Para la entrada de nuestro proceso consideraremos de forma más detallada la siguiente composición


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Jerarquización de Douglas(6)

Información preliminar Proceso Bioetanol

1- Información de la reacción:a) Reacciones:

b) Tº reacción: entre 25 y 35 °C Presión en el reactor: 1 atmc) Selectividadd) Fase liquida.e) Utiliza levaduras.

2. Flujo de producción de bioetanol, 1000 mol/hr.3. Pureza del bioetanol producido, xB= 0.9354. Materias primas:

Caña de azúcar compuesta principalmente por sus tallos: 493 ton/horaLa composición considerada en este trabajo se basa en los datos generales obtenidos en la industria y se da en la Tabla 2.(7)

Suspensión de Levaduras: 28% en peso a 35 °C y presión atmosférica

Agua

5. Restricciones:

25°C <T del reactor <40 °C (prevenir muerte de levaduras y maximizar conversión)

Reciclo Levadura, Glucosa

Bioetanol CO2, impurezas

Bagazo

Sacarosa

Agua

Levadura

Proceso Bioetanol


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Número de Corrientes:

Componente T de ebullición Destino

Sacarosa Se descompone a 186 °C -

Glucosa Punto de fusión: 146 °C Reciclo

Levadura Soporta T de hasta 50 °C Reciclo

Agua 100 °C a 1 atm desecho

Bioetanol 78.37 aprox Producto primario

CO2 -57°C Desecho

Impurezas S/D Desecho

Bagazo S/D Combustible (proceso de

cogeneración

Reciclo 4 Glucosa

5 Bioetanol 6-8 CO2, impurezas, levaduras

9 Bagazo

Sacarosa 1

Agua 2

Levadura 3

Proceso Bioetanol


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Nivel 1

Debido a que en el estado de Puebla se tiene una producción de caña de azúcar de aprox.

2,117,334 ton y ya que esta es considerada una gran escala de producción ya que supera las 500 ton/año el

proceso trabajará de forma continua

Balance de Materia

Producción deseada (para la simulación del proceso) 1 tonelada de bioetanol

Considerando una conversión de sacarosa del 100 % y una conversión de glucosa del 90.4 %

Componente corriente Peso molecular(kg/kmol)

Flujo en kmol Flujo en kg

Sacarosa 1 342 6.012 2056.104Agua 2 18 6.012 108.216Levadura (28% en relación a sacarosa)

3 - 757.512

Glucosa 4(purga) 180 0.4617216 83.109888Glucosa 4ª(reciclo) 180 0.6925824 124.664832Bioetanol 5 46 21.739392 1000.01203CO2 6 44 21.739392 956.533248Impurezas 7 - despreciable despreciableLevadura(desechada)

8 - despreciable despreciable

Bagazo 9 - 4081.28915

Caña de azúcar

Limpieza

Extracción de azucares

Arena, suciedad, metales

Bagazo de caña de azúcar

Tratamiento de jugo

Concentración de jugo

Esterilización de jugo

Fermentación

Centrifugación

Adsorción

Destilación y rectificación

Deshidratación

CO2

Vinaza

Bioetanol anhidroTratamiento

glucosa


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Nota: A la entrada del proceso se alimentan 15459.4286 kg de caña de azúcar y ya que de esta sólo el 13.3 % es sacarosa solo se considera un flujo de 2056.104kg de ésta en la corriente 1

Los datos presentados pueden comprobarse mediante el uso del simulador:

De acuerdo a la bibliografía (1) el diagrama de bloques para la producción de bioetanol a partir de caña de azúcar es (6) (7):


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Para la parte del proceso en el que el jugo de caña esterilizado entra al fermentador para transformarse el proceso es (8):


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Referencias

1. Sergio Fabián Rondón Pérez. (2009), Diseño Conceptual de Producción de Etanol combustible de Segunda Generación a partir del bagazo de caña, Bucaramanga

2. Mustafa Balata, Havva Balata, Cahide O¨ zbl. (2008) Progress in bioethanol processing, Turkey, Elsevier, 34 (2008) 551–573.

3. Omar Macera Ceruti Et. Al.(2006), Potenciales y Viabilidad del Uso de Bioetanol y Biodiesel para el Transporte en México, México

4. http://www.siap.gob.mx/index.php?option=com_wrapper&view=wrapper&Itemid=207 5. http://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/bioetanol/prouccion-a-partir-de-cana-de-

azucar.html6. Samuel Kazes Gómez y Javier Fernando de la Cruz Morales (2008), Aplicación de

Heurísticas en la síntesis de procesos, Colombia.7. M.O.S. Dias Et al, Improving bioethanol production – Comparison between extractive and

low temperature fermentation, Elsevier, 98 (2012) 548–555.8. Marina O.S. Diasa,∗, Adriano V. Ensinasa,b, Silvia A. Nebrac, Rubens Maciel Filhoa,Carlos

E.V. Rossella, Maria Regina Wolf Maciela. (2009). Production of bioethanol and other bio-based materials from sugarcane bagasse: Integration to conventional bioethanol production process, Elsevier, ICHEM, 8 7 ( 2 0 0 9 ) 1206–1216.

http://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/bioetanol/prouccion-a-partir-de-cana-de-azucar.html

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http://www.siap.gob.mx/index.php?option=com_wrapper&view=wrapper&Itemid=207

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