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Diseño de un proceso de producción de etanol anhidro a partir de

jugo de caña.

Paola Andrea Grisales, Leonardo Andrés Ríos y Mauricio Triana

Escuela de Ingeniería Química - Universidad del Valle

INTRODUCCIÓN

El sector privado Colombiano esta interesado en desarrollar un proyecto de producción

masiva de alcohol (etanol carburante) para oxigenar las gasolinas, con el fin de potenciar

las posibilidades que tienen en diferentes regiones del país los cultivos de caña de

azúcar, yuca, maíz, papa, entre otros, como materias primas para la producción de

alcohol. La iniciativa permitirá cumplir lo dispuesto en el artículo 1º de la resolución 898

de 1995 del Ministerio del Medio Ambiente, con altos beneficios económicos y sociales.

Según este artículo, a partir del primero de enero del año 2001 las gasolinas en

Colombia deben incorporar oxígeno en proporciones de 2% en peso o 6% en volumen

como mínimo, para reducir la contaminación ambiental.

La alternativa de diseño propuesta plantea la producción de 1.000.000 L/día de gasohol

a partir de 1000 toneladas/día de jugo de caña, el cual es fermentado con la levadura

Sacharomices cerevisae, la cual transforma los azúcares reductores (sacarosa, glucosa y

fructosa) presentes en el jugo a etanol; posteriormente se recupera el etanol en una

etapa de destilación multiefecto (con reutilización del vapor) que contiene dos columnas

para obtener un alcohol azeotrópico el cual se deshidrata con el uso de membranas en la

preevaporación. Este alcohol anhidro se utiliza para la producción de gasohol, el cual

tiene una composición final de 10% de etanol anhidro.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.

La ruta seleccionada para la obtención de gasohol a partir de jugo de caña, se compone

de cuatro pasos fundamentales:

1. Producción de etanol vía fermentativa. 2. Recuperación del etanol por destilación multiefecto. 3. Obtención de alcohol anhidro. 4. Elaboración del gasohol.

1. PRODUCCIÓN DE ETANOL VÍA FERMENTATIVA Tratamiento del Jugo de Caña El jugo después del proceso de molienda presenta la siguiente composición1, tal como se

muestra en la Tabla 1:

Tabla 1. Composición del Jugo

Componentes % p/p Agua 78-86 Sacarosa 10-20 Azúcares Reductores 0.1-2 Ceniza 0.3-0.5 Compuestos Nitrogenados 0.5-1 PH 5.2-6.8

El jugo que proviene de la molienda se tamiza para eliminar impurezas de flotación y se

bombea a un clarificador donde se somete a un proceso de encalado mediante la adición

de lechada de cal. La mezcla se calienta y se deja sedimentar en un tanque aclarador.

Los lodos sedimentados se filtran al vacío con tambores rotatorios continuos para

recuperar la sacarosa que se encuentra en ellos.

El jugo limpio, que tiene una composición de 14% de sólidos solubles (14ºBrix)2,3, se

somete a un proceso de esterilización en el cual se calienta hasta una temperatura de

121ºC con vapor en un intercambiador de tubo y carcaza durante 15 minutos. Este

proceso de esterilización contribuye a la destrucción de todos los organismos patógenos,

así como de todos los organismos que causen degradación del producto, y de aquellos

que compitan posteriormente en la etapa de fermentación con la Sacharomices

cerevisae por el alimento (azúcares reductores).

El jugo esterilizado se bombea hacia un tanque, en donde se agrega ácido sulfúrico para

ajustar el pH a 4.5 y de esta manera dar unas condiciones de acidez óptimas para la

reproducción de la levadura y la fermentación posterior del jugo; además actúa como

agente precipitante de materia inorgánica y mantiene bajas las poblaciones de

microorganismos contaminantes. El material sedimentado se retira por el fondo del

tanque.

El flujo que sale del tanque se bombea a través de una tubería donde se divide en dos.

Uno de los flujos se transporta hacia un mezclador estático en donde se diluye con agua

deionizada hasta una concentración de 6 a 7%5 en peso de azúcares reductores (ºBrix) y

posteriormente se enfria en un intercambiador de tubo y carcaza hasta una temperatura

de 28ºC5; esta es la condición térmica óptima a la que debe entrar el jugo que se usa

como medio de crecimiento para la levadura Sacharomices cerevisae.

El otro flujo se enfria hasta una temperatura de 32ºC3,5,6 en un intercambiador de calor

de tubo y carcaza, utilizando agua de pozo como fluido refrigerante. Esta temperatura y

la concentración de 14°Brix, son las condiciones térmicas óptimas para alimentar al

fermentador.

Reproducción de la levadura

La preparación de la levadura para la inoculación de los fermentadores involucra

procedimientos tanto en el laboratorio como en la planta. Los cultivos de levadura pura

se activan en el laboratorio a una temperatura de 28 a 30ºC7 hasta lograr una población

de 190 a 200 millones de células por cm3,7,8, utilizando como medio de crecimiento el

jugo estéril diluido.

Posteriormente se realiza un escalamiento a dos cubas de reproducción, que contienen

jugo diluido. En estas cubas se introducen elementos necesarios para el crecimiento y

reproducción de la levadura, entre los que se tienen: urea como fuente de nitrógeno,

fosfato de amonio como fuente de fósforo, oxígeno (aire estéril). Además se agrega

antiespumante, las cantidades adicionadas se muestran en la Tabla 29,10,11:

Tabla 2. Cantidades de nutrientes utilizados en la fermentación.

Las cubas deben mantenerse a una temperatura de 28 a 30 ºC y un pH de 4.2 a 4.5

para garantizar el óptimo desarrollo de la levadura que se utiliza en la etapa de

fermentación.

Etapa de Fermentación

Para el proceso de fermentación se utilizan dos reactores tipo tanque agitado (CSTR) en

serie, con recirculación de la levadura3,9. Se alimenta continuamente jugo de caña

(14°Brix) al primer fermentador. Así mismo, se alimentan cultivos de Sacharomices

cerevisae provenientes de las cubas de reproducción y de la recirculación para mantener

los niveles de población celular entre 200-300 millones de células por mililitro de solución

en el fermentador8. Este proceso fermentativo se hace bajo condiciones anaerobias a

una temperatura de 32 a 35ºC y un pH de 4.2 a 4.51,3,5,6,7,9,11.

Se adiciona antiespumante y ergosterol, éste último en una relación de 5-40 mg/l de

sustrato para hacer la levadura más resistente a las condiciones de concentración de

etanol y temperatura del medio12,14. También se agregan pequeñas cantidades de la

enzima INVERTASA para ayudar a levadura a hidrolizar la sacarosa8.

Por cada gramo de glucosa consumida se producen 0.51 g de etanol y 0.49 g de CO2,

obteniéndose una fermentación ideal con una conversión del 95%, pero debido a la

formación de algunos productos secundarios menores como propanol, butanol, metanol,

glicerol y ácido láctico, se obtienen conversiones entre 90 y 93%3,5,13.

La reacción es exotérmica y genera –16000 Btu/lbmol5 de azúcar fermentada, es por

esto que el fermentador necesita un sistema adecuado de control de temperatura. Para

Componente Cantidad (g/g Azúcar fermentable)

Fuente de Fósforo 0.016 Fuente de Nitrógeno 0.008

Antiespumante 0.02 Oxígeno -

esto se emplea una chaqueta externa de enfriamiento que funciona con agua de la torre

de enfriamiento12,3. Las condiciones de temperatura y pH están controladas

electrónicamente en los fermentadores, mientras que se realizan muestras periódicas de

grado alcohólico y conteo microbiano.

En el primer reactor la productividad de etanol que se logra es aproximadamente de 30 a

51 g/L (6 a 8% v/v), mientras que la productividad global es de 45 a 60 g/L (7.5 a

11%v/v). La concentración de levadura en el primer tanque es aproximadamente 89 g/L

(11%V/V)). 3

El efluente proveniente del segundo reactor, pasa a un decantador donde se separa la

torta de fermentación (levaduras y otros en muy pequeñas proporciones), del caldo de

fermentación (etanol, agua y otros ácidos y alcoholes).

El CO2 producido en la reacción se remueve del reactor por la parte superior y se envía a

otro proceso en el cual se licua para su posterior venta7,1. El caldo de fermentación se

bombea hacia un tanque y posteriormente pasa al proceso de recuperación de etanol

por destilación.

Recuperación de Etanol

La recuperación del etanol se realiza por destilación multiefecto (reutilización del

vapor)17,3. El caldo fermentado se alimenta a dos columnas, la de despojo y la de

rectificación, la primera de las cuales opera a una presión de 0.4 MPa y la segunda a

presión atmosférica. Se usa vapor solo en la columna de alta presión, los productos de

cabeza y aceite de fusel se remueven como subproductos .

Obtención de Etanol Anhidro

La producción de alcohol anhidro se realiza por el método de pervaporación 3,17. La

corriente de etanol que sale de la destilación con una concentración de 95% V/V se pasa

por una bomba en donde se eleva su presión de 1 a 6 atmósferas. Posteriormente se

introduce a un intercambiador de calor de tubo y carcaza en donde se eleva su

temperatura hasta alcanzar los 130 a 150ºC. Este flujo se bombea al módulo de

membrana semipermeable del primer pervaporador. Esta membrana esta hecha de

microporo de poliacrilonitrilo cubierto con una capa de 5 a 20 µm de poli-vinil-alcohol

(PVA)3,17. La mezcla líquida entra en contacto con la membrana, la cual selectivamente

permite el paso del agua en forma de vapor hacia el otro lado de esta debido a un

gradiente de concentración y presión. Este flujo líquido rico en agua (50-70%V/V) que

sale del primer pervaporador como vapor (permeado) se condensa y genera un vacío

espontáneo dentro del pervaporador. La corriente líquida rica en etanol ingresa al

segundo pervaporador en donde se pone en contacto con la membrana. La corriente rica

en agua (permeado) se condensa y se une a la corriente rica del primer pervaporador.

Está se bombea hacia una válvula en donde se lleva a presión atmosférica y se reenvía

a la segunda columna de destilación para recuperar el etanol.

El etanol líquido casi puro (99,9 a 99.8% V/V o 99.5 a 99.7%p/p)24,25,26,27 se almacena

para su posterior venta.

JUSTIFICACIÓN

Se eligió como microorganismo fermentador la levadura Saccharomyces diastaticus, la

cual es una variedad de la Saccharomyces cerevisiae, que presenta las siguientes

características: Es altamente floculante, resistente a la concentración de alcohol,

presenta una alta velocidad de crecimiento celular,, así como una alta productividad de

alcohol formado por gramo de sustrato3.

La fermentación se realiza en continuo en dos CSTR con reciclo por que se logran

mayores productividades que en los sistemas Batch, se disminuye el volumen de los

reactores, permite la obtención de un producto uniforme, así como facilita la

automatización del proceso. Además reciclar la levadura, permite tener altas

concentraciones de levadura en los fermentadores (83g/L), lo cual acelera el procesos

de fermentación lográndose un incremento de productividad de hasta diez veces sobre

los procesos continuos sin reciclo.

Para separar la levadura del etanol se eligió un dispositivo separador de platos

inclinados, el cual resulta ser más económico que emplear un método tradicional como la

centrifugación. Además, la naturaleza floculante del la levadura ayuda a que la

separación sea mucho más fácil.3

Para obtener al alcohol anhidro se eligió un sistema combinado de destilación con

recuperación de vapor para volver el alcohol a azeotrópico y luego una deshidratación

por pervaporación, ya que la destilación por recuperación del vapor es un sistema que

muestra tener altos ahorros energéticos, siendo su consumo cercano al de

recomprensión del vapor pero sin un gasto adicional en los costos de capital (215 a 2450

KJ/L de etanol azeotrópico)16.

La pervaporción se eligió porque permite separaciones económicas, con reducción en los

costos de capital y energéticos, así como logra efectivas para mezclas azeotrópicas sin

la adición de otros componentes13,17.

El gasohol producido contiene un 10% V/V de etanol, se eligió esta alternativa ya que

mezclas de etanol–gasolina hasta el 20% se pueden emplear como combustibles

directamente en los motores sin ningún cambio adicional en estos, además al agregar un

10% en volumen de etanol a la gasolina corriente, se aumenta su octanaje alrededor de

4 puntos, haciendo su calidad comparable a la de la gasolina extra18.

BALANCES

Ver Balances de materia

ANÁLISIS ECONÓMICO

Ver Estimativos de costos

Para ejecutar la evaluación económica, se asume que se hace un préstamo por 10 años a un banco por un monto de US$6’875.876, para la compra de los equipos y tierras, a un interés de 21.48 % ( DTF (11.48%) + 10 puntos)20,21. Se tuvo en cuenta el cambio del peso frente al dólar, asumiendo una tasa de devaluación constante de 6% anual, por ésta razón aunque los pagos en pesos del préstamo son constantes, en dólares son variables. Los costos para el primer años se muestran en la Tabla 13, incluyendo los costos de capital e interés. Los costos de los equipos se encuentran en los arçhivos anexos. TABLA 13. Diagrama de Costos Totales de la producción de alcohol anhidro a partir

de jugo de caña

Producto Costo

producción (US$/L)

Costo Venta (US$/L)

Ganancia (US$/L) (Ganancia)

Alcohol anhidro 0.4312 0.554 0.122

Tasa interna de retorno de 42.93% El tiempo de recuperación de la inversión es de 2 años. RECOMENDACIÓN DE DISEÑO Los resultados encontrados en el estudio de factibilidad nos muestran que el proceso tiene viabilidad económica. El precio del etanol grado combustible en el mercado americano oscila entre US$1.45/gal y US$1.5/gal (US$ 0.4/L) f.o.b19, lo que hace que nuestro costo de producción nos de un margen de ganancia atractivo para la inversión y puesta en marcha del proyecto, ya que la importación del etanol aumentaría su valor unitario a un valor promedio de US$ 0.6/L. En el estudio de factibilidad no se tuvo en cuenta el precio de costo y venta de subproductos, asi como el tratamiento de vinazas producidas.

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