alcohol melaza
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PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE MELAZA
Héctor Ferney Mendoza Ladino, Mayra Fernanda Rueda Pelayo, Juan Andrés Correa Prieto.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Laboratorio de Procesos
RESUMEN
El etanol es un derivado de la caña de azúcar, actualmente es utilizado en su mayoría como
combustible, pero también es utilizado en la elaboración de bebidas e insumo de la industria
procesadora. Su producción se basa principalmente a partir de tres fuentes de materia primas,
como son, la sacarosa, almidones y celulosa. En este caso se produce a partir de melaza, que se
compone de sacarosa en mayor porcentaje. El alcohol final obtenido es de 92% en volumen,
después de pasar un proceso de etapas de fermentación, evaporación y destilación.
MARCO TEÓRICO
Etanol
Es un alcohol líquido compuesto de
carbono, hidrógeno y oxígeno, que resulta
de la fermentación de azúcares. Es un
compuesto incoloro, volátil, inflamable y
soluble en agua. El etanol se produce a
partir de tres principales materias primas:
Sacarosa: Que se encuentra en la caña
de azúcar, melaza, entre otros. La caña
de azúcar es una de las materias
primas más atractivas para la
elaboración de etanol, debido a que los
azúcares se encuentran en una forma
simple de carbohidratos fermentables.
Entre 30 y 40 Kg de melaza generaría
entre 7 y 9 litros de alcohol.
Almidones: Presentes en cereales y
tubérculos. Los almidones contienen
carbohidratos de mayor complejidad
molecular que necesitan ser
transformados en azúcares más
simples mediante un proceso de
sacarificación, introduciendo un paso
adicional en la producción de etanol.
Celulosa: Presente en la madera,
residuos agrícolas y forestales. Son la
materias primas más abundantes para
la fabricación de etanol, sin embargo
por la complejidad de sus azúcares
hacen que la conversión a
carbohidratos fermentables sea difícil y
hace que los costos de operación sean
mayores comparado con otras fuentes
de materias primas.
En este caso el etanol será producido a
partir de melaza de caña de azúcar.
Melaza
Es un líquido denso y viscoso, obtenido en
la preparación del azúcar mediante una
cristalización repetida. La melaza es una
mezcla compleja que contiene azúcar
invertido, sales y otros compuestos
solubles en álcali que normalmente están
presentes en el jugo de caña, así como los
formados durante el proceso de
manufactura del azúcar. Contiene
sacarosa, glucosa, fructuosa, rafinosa y
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sustancias reductores no fermentables. A
continuación se muestra los constituyentes
principales de la melaza.
En la figura 1 se puede observa el proceso
de obtención de la melaza, que luego será
tratada para la producción final de alcohol
etílico.
Figura 1 Obtención de melaza
Clasificación de las melazas
Melazas Superior Blackstrap: Contiene
23.4% de agua o menos y 53.5% o más
azúcares totales.
Melaza Blackstrap: Compuesta por 23.5% a
26.4% de agua y 48.5% a 53.5% de
azúcares totales.
Proceso de Producción de Etanol.
La producción convencional de etanol en
base de caña de azúcar comprende
principalmente cuatro etapas: preparación
de mostos, fermentación, evaporación y
destilación, con lo que, se obtendrán
productos finales como alcoholes potables,
aguardientes, etc.
Preparación de mostos: consiste en
preparar la materia prima para que llegue
en condiciones óptimas a la fermentación.
Fermentación: se adicionan las levaduras
(Saccharomyces cerevisiae), las cuales
actúan sobre los azúcares fermentables
para la producción de alcohol etílico y
otros productos derivados de la
fermentación. En esta etapa se controla el
pH (4-4.5) y la temperatura (30-35ºC). Allí
se produce etanol a una concentración
aproximada de 10% en volumen. La
reacción general que ocurre es:
Componentes Constituyentes Contenido
(p/p)
Componentes mayores
Materia Seca 78%
Proteínas 3%
Sacarosa 60-63%
Azúcares reductores
3-5%
Sustancias disueltas
4-8%
Agua 16%
Grasas 0,40%
Cenizas 9%
Minerales
Calcio 0,74%
Magnesio 0,35%
Fósforo 0,08%
Potasio 3,67%
Aminoácidos
Glicina 0,10%
Leucina 0,01%
Lisina 0,01%
Treonina 0,06%
Valina 0,02%
Vitaminas Colina, Niacina, Tiamina.
ppm
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𝐶6 𝐻12𝑂6 → 2𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2
Evaporación: Proceso físico que busca
concentrar una solución constituida por un
soluto no volátil y un disolvente volátil, en
este caso agua y etanol.
Destilación: es un proceso físico por medio
del cual se separa el alcohol etílico del agua
y las impurezas disueltas. La destilación
consiste en calentar la mezcla extraída de
la evaporación hasta conseguir que el
etanol pase a fase vapor y posteriormente
será condensado para obtenerlo en fase
líquida. Con el fin de obtener una mayor
separación se utilizan columnas de
destilación empacadas, que permite un
mejor contacto entre la fase vapor y el
líquido a lo largo de toda la columna
Aplicaciones del Etanol
Figura 2 Etanol y sus aplicaciones a nivel mundial
El etanol es principalmente usado como:
Combustible: Ya sea para mezclar o
reemplazar los petróleos y sus derivados.
Cerca del 66% de etanol producido a nivel
mundial es utilizado como combustible.
Insumo en la industria procesadora: Es
usado en la producción de la industria
cosmética, farmacéutica, química, entre
otras. Cerca del 21% es usado en este fin.
Sus principales usos son en la fabricación
de esteres, detergentes, pinturas,
aerosoles, jabones, alimentos, mezcla de
solventes.
Insumo en la elaboración de bebidas:
Utiliza alrededor del 13% de la producción
mundial.
Diagrama de flujo
Procedimiento
Materiales y Equipos
Materiales
Cloruro de amonio Levadura
Sulfato de magnesio Melaza
Urea Agua
Roca fosfórica HCl
Equipos
Tanque fermentación Evaporador
Balanza Alcoholímetro
Probeta Cronómetro
Termómetro Baldes
Densímetro Torre destilación
PH-metro Rotámetro
Refractómetro Aireador
Preparación de la solución de Melaza:
Inicialmente se pesaron 30 kg de melaza y
se depositaron en un tanque de
fermentación. Para alcanzar los grados brix
adecuados para iniciar el proceso fue
necesario diluir la melaza agregándole
agua hasta completar un volumen de 45
galones y agitándola continuamente con
una herramienta de madera.
Preparación inoculo
Dilución de la melaza
Fermentación Evaporación
Destilación
Etanol
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Homogenización
Seguido se le inyecta vapor hasta lograr
una temperatura de 80 Celsius con el fin de
homogenizar la mezcla y esterilizarla,
eliminado cualquier organismo que pueda
contaminar o inhibir el proceso de
fermentación. Esta etapa se llevo a cabo un
poco más de una hora.
Al tener la solución de melaza a 80 °C, se
procedió a bajar la temperatura hasta 40
°C esto, con el fin de propiciar un ambiente
apto para los microorganismos que
entrarían a fermentar.
a. Grados Brix
Sin embargo, en el proceso de
enfriamiento de la mezcla, el cual se hizo
por medio de un serpentín con un fluido de
agua fría, se fueron midiendo los grados
brix y el resultado no estaba acorde con lo
que debía reportarse en ese momento
según la literatura y la heurística de los
auxiliares de laboratorio (entre 16 y 22),
por lo que se le añadió mas melaza,
considerando que la melaza inicial estaba
más diluida de lo normal.
Siguiendo lo anterior se le agregó 5,8 kg de
melaza mas obteniendo así grados brix de
14 y luego 7,2 kilogramos logrando
finalmente 16,5 grados Brix.
b. pH
Como ultimo parámetro para propiciar las
condiciones de la carga orgánica, se reguló
el pH de la solución, por medio de acido
clorhídrico del 95 al 97% de pureza.
Cabe resaltar que para la adición de los 120
ml de HCl (cantidad recomendada por
heurística de los auxiliares del laboratorio)
fue necesario equipo de seguridad como
careta y guantes. Además la velocidad de
adición a la solución de melaza debía ser
lenta y muy cercana a la muestra, para
evitar alguna salpicadura que pudiese
haber tenido lugar.
Al agregar los 120 ml el pH, medido por
medio de un pH-metro arrojaba valores de
5,01, lo que no era favorable por lo que se
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agrego más HCl (60 ml) para obtener el pH
final de 4,87.
Preparación del inoculo:
Cuando la solución de melaza alcanzó las
condiciones de temperatura, grados Brix y
pH adecuado, se extrajo una muestra de 20
litros en un recipiente de plástico y allí se
mezclaron con los arrancadores
previamente pesados (Tabla a
continuación) para estimular la activación
de las levaduras (microorganismo de
fermentación empleado), agitando siempre
la mezcla.
Arrancadores
Compuesto Cantidad
[g]
Cloruro de magnesio 144
sulfato de magnesio 24
Urea 24
Roca fosfórica 10
Finalmente, al agregarle los 500 kg de
levadura (Saccharomyces cerevisiae) se
agitó muy suavemente la mezcla para
homogenizar y se dispuso de un aireador
para oxigenar el inoculo (mezcla)
favoreciendo la activación de la levadura
durante dos horas.
Fermentación:
A la solución de melaza se le adicionó el
inoculo y se procedió a airear durante 15
minutos para homogenizar.
Posteriormente se la adiciono la tapa al
tanque para evitar contaminaciones de la
solución.
La fermentación tuvo lugar durante 3 días,
tiempo en el cual se tomaron muestras de
densidad, grados Brix y temperatura cada
dos horas.
La densidad se determino por medio de un
densímetro proporcionado en el
laboratorio y los grados Brix mediante un
refractómetro portátil.
Evaporación:
Al finalizar la etapa de fermentación se
bombeó el mosto (solución de melaza
fermentada) a un evaporador y se
aumentó su temperatura hasta 206 °F por
medio de un intercambiador de calor con
vapor de agua, proveniente de la caldera.
Durante la etapa se tomaron medidas de
temperatura de salida del alcohol, del agua
condensada en el intercambiador de calor
y del agua usada en el condensador
además del caudal de agua de vapor
condensada y porcentaje en volumen del
alcohol por medio de un alcoholímetro.
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El ejercicio anterior se realizó hasta el
momento en el cual se obtuvo un
porcentaje del 26% de alcohol y al final se
obtuvieron 44 litros de alcohol en 2
cochadas.
En general, este equipo es un
intercambiador de calor complejo, consta
de un sistema de intercambio de calor que
utiliza como fluido caliente vapor saturado,
de un evaporador en donde se volatiliza la
mezcla y de un condensador que retira
calor por medio de una corriente de agua
fría.
Destilación:
La solución obtenida de la etapa de
evaporación es conducida a un tanque de
alimentación.
Por medio de una bomba centrifuga se
impulsa el fluido hacia un rehervidor en
donde la mezcla se volatiliza, en teoría el
alcohol puesto su punto de ebullición es
más bajo que la del agua. Seguido, el vapor
pasa a través de una torre empacada de
tornillos rashing, luego se condesa
completamente y se va acumulando en un
tanque cuya temperatura se debía
mantener alrededor de los 76°C
(temperatura de ebullición del alcohol
78°C)
La relación de reflujo empleada fue de 1:4
(1 ml de destilado por cada ml recirculado),
la cual se obtenía variando el indicador en
el rotámetro, dicha relación se trabajó
pues con ella se aseguraba la temperatura
a 76 °C.
Finalmente al alcohol destilado se le media
la temperatura de salida y porcentaje de
alcohol, al igual que se tomaban los datos
de temperatura del agua de servicio en el
condensador y condesado del vapor en el
rehervidor.
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Se obtuvo un volumen de destilado de 6,82
litros de etanol al 92%.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Fermentación
El comportamiento de las variables de
interés en la fermentación, tales como la
densidad, grados Brix y temperatura
respecto al tiempo de fermentación se
pueden observar en las siguientes graficas:
La disminución de la temperatura, grados
Brix en el caldo de fermentación indican la
actividad de las levaduras, pues la sacarosa
actúa como sustrato de los
microorganismos; la disminución de la
densidad es debido a la producción de
alcohol pues este tiene una menor
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
De
nsi
dad
[g/
ml]
Tiempo [h]
Densidad vs Tiempo
02468
1012141618
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
°Bri
x
Tiempo [h]
Grados Brix vs Tiempo
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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densidad. En cuanto a la temperatura, esta
decrece debido a la disminución de la
actividad microbiológica y el cambio es
notorio transcurridas 30 horas del proceso.
Se observa que la mayor actividad de las
levaduras se encuentra alrededor de las 5
primeras horas.
Conversión de sacarosa y producción de
etanol.
Cálculo de la sacarosa inicial:
La solución preparada para la fermentación
tuvo un volumen de 45 galones (174128.84
ml), y con la densidad y grados Brix según
las graficas mostradas, se calcula la masa
de sacarosa inicial y final.
𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖 ó𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 174128,84𝑚𝑙 1,085𝑔
𝑚𝑙
𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖 ó𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 188929,79 𝑔
𝑚𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 188929,79 𝑔 16,5𝑔
100𝑔
𝑚𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 31173,46 𝑔
Cálculo de la sacarosa final:
𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖 ó𝑛 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 174128,84𝑚𝑙 1,04𝑔
𝑚𝑙
𝑚𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖 ó𝑛 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 181093,99 𝑔
𝑚𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 181093,99 𝑔 9,5𝑔
100𝑔
𝑚𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 17203,93 𝑔
Los cálculos anteriores se resumen en la
siguiente tabla:
Logrando una conversión de sacarosa de
13969.53g equivalente al 55.19%. Con la
sacarosa convertida se puede calcular la
glucosa convertida:
𝑚𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
= 13969.53𝑔2 ∗ 180.16𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
342.3𝑔 𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎
𝑚𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 = 14704.94 𝑔
La masa de etanol formada
experimentalmente haciendo uso de la
estequiometria, es igual a:
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 14704.94𝑔 2 ∗ 46.07𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
180.16𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ,𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 7520.61 𝑔
Cálculo de la producción de etanol
teórico:
La sacarosa es un disacárido que no posee
carbonos anoméricos libres por lo que
carece de poder reductor, por tanto se
requiere de hidrólisis ácida (HCl) ó
enzimática para la obtención de D-glucosa
y D-fructosa que son azucares reductores.
Este proceso se denomina inversión de la
sacarosa:
𝐶12𝐻22𝑂11
á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐻𝐶𝑙 𝑜 𝑒𝑛𝑧𝑖𝑚𝑎 𝐶6𝐻12𝑂6
+ 𝐶6𝐻12𝑂6
La fermentación anaeróbica por medio de
la saccharomyces cerevisiae es la siguiente:
𝐶6𝐻12𝑂6 → 2𝐶2𝐻6𝑂 + 2𝐶𝑂2 + 25.5𝑘𝑐𝑎𝑙
Con la masa de la sacarosa inicial se puede
calcular el etanol que se produce
teóricamente. La densidad de la melaza
empleada es de 1.5 g/ml, utilizando 28.7 L,
por tanto la masa de melaza empleada fue
43000 g, equivalente a 27090 g de sacarosa
inicial (63% p/p):
𝑚𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 = 27090𝑔 2∗180.16𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
342.3𝑔 𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎
𝑚𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 = 28516.12 𝑔
Solución inicial Solución final
Volumen
45 gal (174128.8 ml)
45 gal (174128.8 ml)
Densidad 1,085 g/ml 1,04 g/ml Grados Brix
16,5 9,5
Sacarosa 31173,46 g 17203,93 g
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𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
= 28516.12𝑔 2 ∗ 46.07𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
180.16𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ,𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 = 14584.12 𝑔
Con la masa de etanol formada teórica y
experimentalmente, se logra un
rendimiento del 51.57 % de producción de
etanol en la fermentación.
Sabiendo que los grados Brix no indican en
su totalidad un valor exacto de la cantidad
de azucares en la muestra, si se puede
asegurar que la diferencia de grados Brix
entre el inicio y final de la fermentación
indican la cantidad exacta de glucosa
convertida.
Evaporación
Primer lote
El vapor proveniente de la caldera le
suministra el calor necesario para la
evaporación de la carga suministrada de
melaza. La presión del vapor es de 2 psig, y
leyendo de las tablas termodinámicas del
agua se obtienen las siguientes
propiedades:
Condiciones
T [°C] 120,2
P [bar] 2
ρ [kg/m3] 943
hfg [kJ/kg] 2201,9
Sabiendo que las medidas realizadas para
la temperatura de los condensados se
hicieron cada 6 litros, se tiene en total un
volumen de condensados igual a 52 litros
en 229 mín de evaporación (caudal de
227.07 ml/mín).
El perfil de temperatura en el tiempo para
el condensado de vapor se muestra a
continuación:
Se debe tener en cuenta que la
temperatura de operación del evaporador
es de 96.7°C, y la temperatura del
condensado es 81°C, por tal razón los
cálculos de los calores suministrado y
aprovechado se harán bajo estas
condiciones.
Calor suministrado:
La masa de condensado según las
condiciones dadas es igual a 49.036 kg (52
l) a 81°C, entonces el calor suministrado es:
𝑄𝑠𝑢𝑚 𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑚𝑓𝑔 + 𝑚𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∆𝑇
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 49,036 g 2201.9𝑘𝐽
𝑘𝑔
+ 4.187𝑘𝐽
𝑘𝑔.𝐾 393.35
− 354.15 𝐾
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 116020,666𝑘𝐽
30
40
50
60
70
80
90
25 75 125 175 225
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Calor aprovechado.
Se alimentaron 23 galones de melaza
fermentada (87064.422 ml) al evaporador
equivalente a 90.5461kg a 27°C, la
temperatura de trabajo del evaporador
fue de 96.7°C.
Debido que en la etapa de evaporación se
presenta cambio de fase, se debe tener en
cuenta tanto el calor sensible como el
latente:
𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐 𝑎𝑑𝑜 = 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 + 𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒
Puesto que la carga a evaporar es una
mezcla de melaza, agua y etanol
principalmente, se calcula el poder
calorífico de la mezcla de la siguiente
forma:
𝐶𝑝 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑋𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎
+ 𝑋𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝐶𝑝𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙+ 𝑋𝑚𝑒𝑙𝑎𝑧𝑎 𝐶𝑝𝑚𝑒𝑙𝑎𝑧𝑎
De acuerdo a las composiciones del mosto
(solución de melaza fermentada lista para
evaporar): agua, etanol y melaza (tomando
la melaza a la composición inicial debido a
que este valor es conocido en la literatura).
Conocido el valor de la sacarosa que no
reacciono y su composición (63% p/p) en la
melaza, se puede calcular el agua (16% p/p
de la melaza) asociada a esta composición,
el cual es igual a 3412,32 g de agua para los
45 galones de mosto; esta cantidad de
agua no se tiene en cuenta en la masa total
de agua en la solución (148,73 Kg de agua).
La cantidad de etanol formado se calculó
anteriormente, para evitar confusiones, se
resume en la tabla siguiente los valores de
las composiciones del mosto y los calores
específicos correspondientes, además se
muestra el balance de agua:
Agua adicionada [kg] 141,85
Agua melaza [kg] 6,88
Agua total en el mosto [kg] 148,73
Calor sensible:
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 174,16577𝑘𝑔
∙ 3,867 𝑘𝐽
𝑘𝑔.𝐾 369,75
− 298,15 = 48222,39 𝑘𝐽
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 48222,39 𝑘𝐽
Ahora, se debe calcular el calor de
vaporización del mosto. Como el agua y el
etanol son los que se evaporan, se asume
que el calor de vaporización es un
promedio, según sean las composiciones
de agua y etanol, e ignorando el resto de
sustancias en la mezcla.
𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ,𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∙ 𝑓𝑔
Para el cálculo del calor de vaporización del
mosto se hacen las siguientes asunciones:
las sustancias que cambian de fase son el
alcohol y el agua; el calor de vaporización
será el promedio de los calores de
vaporización del etanol y del agua.
El calor de vaporización para la mezcla
etanol-agua, según Osney Pérez Ones et al.
se puede expresar en función de la presión:
𝜆𝑣𝑎𝑝 = 95,367 + 1206,05
∗ exp −10,1139
∗ 𝑃−0,258814
Componente Masa [g] Xi [g/g] Cp [kJ/kg K]
Agua 145317,68 0,834 4,187
Etanol 7520,61 0,043 2,721
Melaza 21326,984 0,122 2,094
Mosto 174165,28 1,000 3,867
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EL evaporador trabajo a 115,142 kPa,
entonces el calor de vaporización para la
mezcla etanol-agua es igual a 157,798
KJ/kg.
Ahora, el calor latente es igual a:
𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 = 152.83 𝑘𝑔 157,798kJ
kg
𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 = 24116,268 kJ
Por tanto, el calor aprovechado es:
𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐 𝑎𝑑𝑜 = 72338,66 𝑘𝐽
Segundo lote.
Calor suministrado:
El perfil de temperatura en el tiempo para
el condensado de vapor se muestra a
continuación:
Se trabajaron a las mismas condiciones de
la primera cochada, excepto por unos
cambios mínimos de temperatura de
operación (96.1°C) y salida de 50 l de
condensado (47.15 kg) a 82°C.
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 49150 g 2201.9𝑘𝐽
𝑘𝑔
+ 4.187𝑘𝐽
𝑘𝑔.𝐾 393.35
− 355.15 𝐾
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 116084,6𝑘𝐽
Calor aprovechado:
Trabajando bajo las condiciones del primer
lote y asumiendo que la carga alimentada
es aproximadamente igual, el calor
aprovechado es:
𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐 𝑎𝑑𝑜 = 72338,66 𝑘𝐽
Cálculo de la eficiencia térmica de la
evaporación.
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 232105,266 𝑘𝐽
𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐 𝑎𝑑𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 144677,32 𝑘𝐽
𝜂 =𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐 𝑎𝑑𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙. 100%
𝜂 = 62,33%
La eficiencia térmica fue superior al 50%,
por lo cual hubo un buen funcionamiento
del equipo y de la etapa de evaporación;
las pérdidas de calor se debieron a que el
sistema no contaba con un sistema de
aislamiento adecuado.
DESTILACION
Rehervidor
Condiciones del vapor saturado son las
mismas utilizadas en la etapa de
evaporación.
30
40
50
60
70
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25 75 125 175 225
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elaz
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Asumiendo que el vapor entra al equipo
saturado y sale como líquido saturado, se
tiene:
Balance de masa:
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑒 = 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑠 = 𝑚𝑎𝑠𝑎
Balance de Energía:
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑚𝑓𝑔
𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 47.5𝑙 ∙ 943 𝑘𝑔
𝑚3
∙ 2201,9𝑘𝐽
𝑘𝑔∙
1𝑚3
1000𝑙
= 98 628,61 𝑘𝐽
En donde los 47.5 litros se refieren al
volumen recolectado de condensados,
como se muestra en la tabla siguiente:
Tiempo [h] Volumen
[ml] Temperatura
[°C]
00:23:00 5000 79
00:55:00 5000 81
01:23:00 5000 79
02:23:00 5000 73
03:09:00 5000 78
03:54:00 5000 78
04:38:00 5000 84
05:36:00 5000 87
06:21:00 5000 84
07:21:00 2500 87
Condensador
Condiciones del agua de enfriamiento:
Temperatura entrada agua de
enfriamiento: 25°C
Temperatura salida de agua de
enfriamiento: 28°C
Caudal de agua de enfriamiento:
199,90 ml/s aproximadamente.
Tiempo de duración de la destilación:
6 h 29’ (23 160 segundos)
Por lo tanto el volumen utilizado de agua
de enfriamiento fue:
𝑉 =199,9 𝑚𝑙
𝑠∙ 23 160 𝑠 ∙
1 𝑚
100 𝑚𝑙
3
= 4,63 𝑚3
El flujo másico de agua de enfriamiento
𝐹 =199,9 𝑚𝑙
𝑠∙
1 𝑚
100 𝑚𝑙
3
∙1000 𝑘𝑔
𝑚3.
60𝑠
1𝑚í𝑛
= 11,99𝑘𝑔
𝑚𝑖𝑛
Balance de masa:
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑒 = 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑠
Balance de energía:
Para un tiempo de destilación de 386 min
la cantidad de masa de agua utilizada para
el enfriamiento es de 4630 kg
𝑄𝐶 = 𝑚𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∆𝑇
𝑄𝐶 = 4630 𝑘𝑔 ∙ 4,187𝑘𝐽
𝑘𝑔 ∙ 𝐾 301,15
− 298,15 = 58 157,4 𝑘𝐽
Eficiencia térmica en el destilador
Tiempo [s]
Volumen [ml]
Caudal [ml/s]
Temperatura
[°C]
11;69 2300 196,7 25
16;70 3050 182,6 28
9;8 2350 239,8 28
12;77 2600 203,6 28
10;87 2400 220,8 27
15;34 3000 195,6 26
14;05 2850 202,8 27
14;95 2350 157,2 28
Caudal prom
199,9
Pro
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𝜂 =𝑄𝐶𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑄𝑅𝑒𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟. 100%
𝜂 = 58,97%
Cálculos etanol producido
Tiempo [h]
Temperatura [°C]
Volumen [ml]
Densidad [kg/m3]
00:00:00 24,0 250 0,965
00:16:41 26,0 250 0,865
00:31:41 27,0 250 0,830
00:45:08 26,0 250 0,820
00:56:30 26,0 250 0,815
01:07:00 26,0 250 0,815
01:18:23 27,0 250 0,810
01:29:00 27,0 250 0,810
01:39:00 27,0 250 0,810
01:51:00 28,0 250 0,810
02:01:00 27,0 250 0,810
02:12:00 27,5 250 0,807
02:22:00 27,0 250 0,805
02:33:00 27,0 250 0,810
02:43:00 27,5 250 0,810
02:55:00 27,0 250 0,810
03:05:00 27,0 250 0,810
03:16:00 27,0 250 0,810
03:27:00 26,5 250 0,807
03:38:00 26,0 250 0,805
03:47:00 26,0 250 0,806
04:02:00 26,5 250 0,806
04:19:00 27,0 250 0,806
05:22:00 27,0 250 0,806
05:33:00 27,0 250 0,806
06:10:00 28,0 250 0,806
06:24:00 29,0 250 0,810
06:29:00 28,5 70 0,815
Volumen Total 6820 ml
Finalmente se obtiene una cantidad de
etanol de 6,82 litros al 92% en volumen,
con una densidad de 805,81 kg/m3.
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜
= %𝑉
𝑉∙ 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑡 .
∙ 𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑝𝑢𝑟𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜
=0,92 𝑚𝑙 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝑚𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛
∙ 6,82 𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑡 ∙1 𝑚3
1000 𝑙
∙789 𝑘𝑔
𝑚3
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜 = 4,95 𝑘𝑔
Etanol entrada a la torre de destilación.
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
= %𝑉
𝑉∙ 𝑉𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎 .
∙ 𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑝𝑢𝑟𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑎𝑑𝑜
=0,26 𝑚𝑙 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝑚𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛∙ 44 𝑙
∙1 𝑚3
1000 𝑙∙
789 𝑘𝑔
𝑚3
𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 = 9,026 𝑘𝑔
Eficiencia Térmica del proceso
𝜂
=𝑄𝐶 + 𝑄𝑎𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑐 𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑄𝑅𝑒𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟 + 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙. 100%
𝜂 = 61, 33%
Rendimiento de la destilación de etanol
𝜂 =𝑥𝐷𝐷
𝑥𝐵𝐵. 100 =
4,95 𝑘𝑔
9,026 𝑘𝑔∙ 100
𝜂 = 54,84%
En la siguiente tabla se muestran las
composiciones de etanol correspondientes
a los flujos en la torre de destilación:
Alimento Destilado Fondos
Masa [g] 41586 5495 36090
xetanol [g/g] 0,217 0,901 0,113
Pro
du
cció
n d
e Et
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Re cálculo del etanol generado en la
fermentación
Como se observó anteriormente, la
cantidad de etanol en el alcohol de baja
pureza (mezcla de etanol y agua producto
del evaporación) resultó ser mayor la
cantidad de alcohol generado por la
fermentación, debido a la incertidumbre
generada por la medición de los grados
Brix al saber que la melaza además de
presentar sacarosa, tiene otros sólidos
suspendidos. Por tanto, se calculará el
etanol que se generó en la fermentación a
partir de la cantidad de alcohol medido en
el alcohol de baja pureza, la cual fue de
9,026 𝑘𝑔. Basados en la heurística de los
auxiliares de laboratorio, en la vinaza el
porcentaje de alcohol esta alrededor del
1%, lo cual equivale a 1,482 kg de etanol.
Por consiguiente, el etanol formado en la
fermentación es igual a 10,508 kg. Con esta
cantidad de etanol por medio de la
estequiometria se calcula la glucosa
convertida:
𝑚𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
= 10508 𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 180,16𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
2 ∗ 46,07𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
𝑚𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 = 20546,14 𝑔
Ahora, se calcula la sacarosa convertida
según la estequiometria:
𝑚𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎
= 20546,14𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎342.3𝑔 𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎
2 ∗ 180.16𝑔 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
𝑚𝑠𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑎 = 19518.6 𝑔
Sabiendo que la sacarosa inicial es igual
27090 g, y que teóricamente se debe
producir 14584.12 𝑔 de etanol, se logró
una conversión de sacarosa igual al 72,05%
y un rendimiento en la fermentación de
etanol igual al 72,05 %.
Por tanto el porcentaje de alcohol
recuperado en la etapa de evaporación fue
del 86 %.
Rendimiento del proceso
𝜂𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
=𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜. 100%
𝜂𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =4950 𝑔
10508 𝑔. 100%
𝜂𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 47.11%
𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
=𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑙𝑎𝑧𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =4950 𝑔
43000 𝑔
𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =0,115 𝑔 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
1 𝑔 𝑚𝑒𝑙𝑎𝑧𝑎
CONCLUSIONES
Se puede establecer que hubo un buen
rendimiento del proceso en cuanto a la
producción de etanol llevado en el
laboratorio, ya que según la teoría por
cada 40 kg de melaza procesados se
obtienen de 6 a 7 litros de etanol puro;
en este caso obtuvimos 6,82 litros de
etanol al 92% en volumen a partir de
43 kg de melaza. Respecto al
rendimiento energético se observó que
hubo pérdidas de energía durante el
proceso, principalmente en la etapa de
evaporación.
En la etapa de fermentación se debe
tener en cuenta las condiciones
adecuadas, ya sea de pH, temperatura
y cantidad de sustrato adicionado para
un adecuado crecimiento del
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microorganismo, para la obtención de
un buen rendimiento de etanol.
La producción de etanol implica tanto
procesos biológicos, como físicos, por
lo tanto es necesario el control
adecuado de las condiciones a las que
se llevan a cabo las etapas. Un buen
desarrollo de los procesos biológicos
implica la obtención de una mayor
cantidad de etanol en los procesos
físicos (destilación).
RECOMENDACIONES
En el desarrollo de la práctica se
observó el desperdicio de una gran
cantidad de agua; esta agua puede ser
re-utilizada en prácticas de laboratorio
que la requieran.
El cálculo de cantidad de azúcares en
una mezcla que involucren otro tipo de
sólidos presentes, mediante la
utilización de los grados brix no
indicarán con exactitud la cantidad de
azúcares presentes ya que estos
sólidos afectarán la medición. Por
tanto se hace necesario la utilización
de otras tecnicas tales como el método
del acido dinitrosalicílico (DNS).
Para la etapa de evaporación se
recomienda la instalación de material
aislante al equipo de evaporación y sus
respectivos intercambiadores de calor,
pues se observo una gran pérdida de
energía que se tenía que abastecer con
más fluido de calentamiento y por
ende más costos de operación.
BIBLIOGRAFÍA
Perfil del mercado y competitividad
exportadora de etanol:
http://www.mincetur.gob.pe/comercio
/otros/penx/pdfs/Etanol.pdf
http://books.google.com.co/books?id=
0hLx1I8UQ5sC&pg=PA984&lpg=PA984
&dq=hidrolisis+de+la+sacarosa+inversi
on&source=bl&ots=Gc-
fJGFcU_&sig=bQiFUDg5rYLD8CFO-
1EiszsHpEs&hl=es&ei=5g9oTJTxIYL78A
b8h-
2zBA&sa=X&oi=book_result&ct=result
&resnum=9&ved=0CEEQ6AEwCDgK#v=
onepage&q&f=false
Osney Pérez Ones, Jorge Díaz
Rodríguez, Lourdes Zumalacárregui,
Osvaldo. Gozá León Evaluación de
propiedades termodinámicas de
mezclas etanol-agua (I). Grupo de
Análisis de Procesos, Facultad de
Ingeniería Química, Instituto Superior
Politécnico “José Antonio Echeverría”
Ave 114 N.º 11901 e/ 119 y 127
Marianao. Ciudad Habana, Cuba.
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Diagrama de flujo de masa.