1-1

1 Introducción

Hoy en día la sustitución de combustibles líquidos provenientes de fuentes

fósiles en motores de combustión por aquellos provenientes de recursos

renovables, es un hecho en pleno desarrollo a nivel mundial, gracias al aumento

de la demanda de energía, la escasez de petróleo y el impacto de éste en el

calentamiento global. En los últimos años, en México se ha destacado la

urgencia de realizar reformas estructurales que permitan un mayor desarrollo

para enfrentar las necesidades que la globalización y la economía traen consigo.

El sector energético es uno de los campos en los que se resalta la importancia

de efectuar cambios y mejoras [1].

Combustibles producidos con materias primas renovables como el etanol

están siendo considerados como una alternativa para reemplazar la gasolina,

debido a que promete ciertas ventajas ambientales en el ámbito de la emisión de

gases efecto invernadero (GEI).

1.1 Etanol

El etanol es un combustible del alto rendimiento en motores de combustión

interna. Es un líquido, que ofrece grandes ventajas en términos de almacenaje,

entrega, y compatibilidad infraestructural. No obstante con ser una importante

materia prima para la industria (química, farmacéutica, agroalimentaria, etc.),

juega un papel muy importante en la preparación de carburantes para vehículos

automotores. El etanol como combustible aumenta el índice de octano, por lo

tanto, se reduce su consumo y las emisiones de monóxido de carbono e

hidrocarburos de un 10 al 15% [1].

1-2

1.1.1 Definición de bioetanol

El bioetanol se define como el etanol producido a partir de la fermentación

de materias primas ricas en carbohidratos (azúcar, almidón, celulosa, etc.). Entre

estas materias primas se encuentran las frutas, vegetales, cereales, tubérculos y

en general, materias primas provenientes de lignocelulosas o de residuos

orgánicos [1].

1.1.2 Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol

El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor

picante. También se conoce como alcohol etílico y sus vapores son más

pesados que el aire.

Figura 1-1: Formula estructural del etanol.

Gracias a sus propiedades el etanol se utiliza industrialmente para la

obtención de acetaldehído, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa,

entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos, plásticos,

lacas, perfumes, cosméticos, etc. También se utiliza en mezclas

anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia

prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y patológicos

[2]. Las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol se encuentran

compiladas en la Tabla 1-I.

1-3

Tabla 1-I: Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol.

Propiedad

Formula C2H6O, CH3CH2OH

Peso molecular 46.07 g/mol

Composición C: 52.24%; H: 13.13% y O: 34.73% (% mol)

Estado de agregación Liquida

Color Incoloro

Punto de ebullición 78.3ºC

Punto de fusión -130ºC

Índice de refracción (a 20ºC) 1.361

Densidad 0.7893 a 20ºC.

Presión de vapor 59 mm de Hg a 20ºC

Densidad de vapor 1.59 g /mL

Temperatura de ignición 363ºC

Punto de inflamación (Flash Point)

12ºC ( al 100%), 17ºC (al 96%), 20ºC (al 80%), 21ºC (al 70%), 22ºC (al 60%), 24ºC (al 50%), 26ºC (al 40%), 29ºC (al 30%), 36ºC (al 20%) y 49ºC (al 10%)

Límites de explosividad 3.3 - 19%

Punto de congelación -114.1ºC

Calor específico (J/gºC) 2.42 (a 20ºC)

Temperatura de autoignición 793ºC

Conductividad térmica (W/mK) 0.17 (a 20ºC)

Momento dipolar 1.699 debyes

Constante dieléctrica 25.7 (a 20ºC)

Solubilidad Miscible con agua en todas proporciones, éter, metanol, cloroformo y acetona.

Temperatura crítica 243.1ºC

Presión crítica 63.116 atm

Volumen crítico 0.167 L/mol

Tensión superficial (dina/cm) 231 (a 25ºC)

Viscosidad (cP) 1.17 (a 20ºC)

Calor de vaporización en el punto normal de ebullición (J/g)

839.31

Calor de combustión (J/g) 29677.69 (a 25ºC)

Calor de fusión (J/g) 104.6

Acidez (pKa) 15.9

Fuente: [2]

1-4

1.2 Procesos de obtención de etanol

El etanol se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico

concentrado y sometiéndolo a una posterior hidrólisis, pero de una manera

natural, es obtenido a través de fermentación, por medio de levaduras a partir de

materias primas que son ricas en carbohidratos [2]. Las principales materias

primas para la producción de etanol son aquellas que contengan un alto

contenido de sacarosa, almidón o celulosa. La fermentación alcohólica es un

proceso bioquímico que permite convertir azúcares en alcohol y dióxido de

carbono. La conversión se representa mediante la reacción:

𝐶6𝐻12𝑂6 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 2𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2

𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝐷𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 (1)

Las principales responsables de esta transformación son las levaduras.

La levadura fermentará el azúcar en alcohol y dióxido de carbono solo en la

ausencia de aire, pero necesita oxigeno para crecer. Ésta produce alcohol etílico

y dióxido de carbono de azucares simples como la glucosa y la fructosa.

Saccharomyces cerevisiae, es la especie de levadura usada con más

frecuencia. En condiciones donde exista un exceso de oxigeno el alcohol puede

ser oxidado y convertido en acido acético. Es por esto que durante el proceso de

fermentación es necesario montar una trampa de agua en el sistema, para evitar

la entrada de oxigeno, y poder monitorear el comportamiento de las levaduras.

El producto de la fermentación, se somete a un proceso de purificación.

Para poder utilizar el etanol como combustible mezclándolo con gasolina, es

necesario eliminar el agua hasta alcanzar una pureza del 99.5 al 99.9% v/v.

Tradicionalmente, la separación del sistema etanol-agua se hace con destilación

azeotrópica, usando benceno, pentano o dietil éter como solvente, o mediante

destilación extractiva empleando etilenglicol o gasolina [3].

1-5

1.2.1 Métodos más comunes

Los métodos más comunes para la producción de bioetanol son divididos

en bases comerciales y por dos vías tecnológicas, utilizando materias primas

dulces, directamente fermentables, como la caña de azúcar y la remolacha

azucarera, o materias primas amiláceas, como el maíz y el trigo, cuyo almidón

debe ser convertido en azúcar (sacarificado) antes de la fermentación, como se

esquematiza en la Figura 1-2.

Figura 1-2: Vías tecnológicas para la producción de etanol [4].

Una tercera vía, es utilizando la biomasa disponible en materiales como el

bagazo y la paja, hidrolizando las cadenas celulósicas por medios enzimáticos y

produciendo una solución fermentable de azúcares, presentando gran interés

gracias al bajo costo de la materia prima [4]. La alternativa de emplear residuos

lignocelulósicos en la producción de etanol, constituye hoy día una posibilidad

altamente prometedora por su amplia disponibilidad en el mundo. La existencia

Biomasa amilácea

(maíz, trigo)

Biomasa celulósica

(pasto, bagazo)

Trituración Trituración

Hidrólisis ácida y/o enzimática

Solución azucarada fermentable

Biomasa azucarada

(caña, remolacha)

Extracción por presión o difusión

Hidrólisis enzimática

Fermentación

Destilación

Bioetanol

Biomasa amilácea

(maíz, trigo)

Biomasa celulósica

(pasto, bagazo)

Trituración Trituración

Hidrólisis ácida y/o enzimática

Solución azucarada fermentable

1-6

en diversos países latinoamericanos de abundantes recursos lignocelulósicos,

justifica la dedicación por estas naciones por desarrollar y adaptar tecnologías

que tiendan a utilizarlos integralmente [5].

1.3 Etanol como combustible

El etanol puede utilizarse como combustible, puro o mezclado con gasolina

en cantidades variables para reducir el consumo de derivados del petróleo y

disminuir las emisiones GEI a la atmosfera, en la Tabla 1-II se pueden apreciar

los porcentajes de reducción de estas emisiones para etanol producido con

diferentes materias primas, así como la relación energética, es decir la relación

entre la energía producida y la demanda de energía directa e indirecta para

producir tal energía. El porcentaje de emisiones evitadas es una comparación

con las emisiones de GEI a la atmosfera por la gasolina.

Tabla 1-II: Diferentes materias primas para la producción de bioetanol.

Materia Prima Relación de energía Emisiones evitadas

Caña 9.3 89%

Maíz 0.6 – 2.0 -30%

Trigo 0.97 – 1.11 19-47%

Remolacha 1.2 – 1.8 35-56%

Mandioca 1.6 – 1-7 63%

Residuos lignocelulósicos 8.3 – 8.4 66-73%

Fuente: [4]

La flexibilidad de este combustible radica en que puede ser utilizado en

vehículos con motores de combustión interna no modificados (los cuales están

garantizados para utilizarse con mezclas bajas de etanol), motores flexibles de

combustión interna (capaces de usar etanol, metanol, y gasolina en cualquier

proporción), motores encendidos por compresión, motores de combustión

1-7

interna especializados (optimizados para aprovechar las características

particulares de los alcoholes), y celdas de combustible [6].

Una aplicación importante del etanol, es su uso como aditamento para

oxigenar la gasolina estándar, como reemplazo para el metil ter-butil éter

(MTBE), el cual es un producto con el que se reformula la gasolina, permitiendo

reducir las emisiones de CO2. Esta acción es muy importante ya que el MTBE,

siendo un compuesto estable, de baja degradación y soluble en agua, se

convirtió en un contaminante de aguas subterráneas, y a su vez, es clasificado

como un potencial carcinógeno [1].

1.3.1 Diferentes mezclas utilizadas

El etanol se puede utilizar como combustible de motor en varias formas:

mezclas de bajo nivel (≤ al 22% v/v de etanol en gasolina), mezclas de alto nivel

(≥ al 85% v/v de etanol en gasolina), puro (sin ninguna fracción de gasolina pero

generalmente conteniendo agua en cantidades ≤ al 20% v/v) [6]. En la Tabla 1-III

se presentan los diferentes tipos de mezclas usadas como combustibles.

1.3.2 Comparación entre etanol y gasolina

Los combustibles fósiles son no renovables; su producción y uso dan

lugar a una gran cantidad de emisiones de GEI. Sin embargo, la gasolina es

atractiva con respecto a su precio, disponibilidad, la facilidad de uso, sus

propiedades como combustible (ver Tabla 1-IV y Tabla 1-V), el funcionamiento

del vehículo y el hecho de que es apoyada por la infraestructura actual.

1-8

Tabla 1-III: Tipos de mezclas combustibles que incluyen etanol.

Combustible Descripción

Gasolinas oxigenadas

Mezclas de hasta un 5% de etanol en gasolina sin modificaciones en el

motor ni aviso a los usuarios.

Mezclas blandas de gasolina con 5 a 20% de etanol (E5 a E20). Tienen

un efecto positivo en la combustión y reduce emisiones de CO2 no

siendo necesaria la modificación de motores.

Mezclas de gasolina con un 85% de etanol. Se precisan modificaciones

en motores ajustando el sistema de encendido.

Gasohol

Mezclas de hasta 10% (E10) de etanol en gasolina: sistema

convencional de motor de gasolina con ligeras adaptaciones.

Mezclas de alto contenido de etanol donde es necesario usar motores

adaptados.

ETBE (Etil terbutil éter) Producto muy similar a la gasolina y producible en plantas donde se

produce MTBE.

E100/E95 Etanol casi puro deshidratado o hidratado respectivamente.

Fuente: [7]

Tabla 1-IV: Propiedades del desempeño de etanol y gasolina.

Propiedad

Valor relativo de etanol a gasolina

Impacto cualitativo Impacto en la

eficiencia térmica (%)

Contenido energético

0.65-0.69 Menos kilómetros por litro.

-0.9

Calor de vaporización

2.3

Mayor cantidad de aire entra al cilindro. Incrementa potencia. Disminuye requerimientos de enfriamiento

No determinado

Temperatura mínima de flama

0.976 Mayor eficiencia en motores especiales.

No determinado

Volumen relativo de productos de combustión

1.07 Incremento en el trabajo disponible por la expansión de los gases.

7

Número de octano

1.15

Permite incrementar el factor de compresión y por lo tanto mayor potencia y eficiencia.

6 a 10

Fuente: [6]

1-9

Tabla 1-V: Comparación entre propiedades de etanol y gasolina.

Propiedad Etanol Gasolina

Gravedad especifica 0.77 0.72

Densidad Energética 20000 MJ*/L 32200 MJ/L

Entalpía menor de combustión 27.4 MJ/kg 44.7 MJ/kg

*Megajoule Fuente: [8]

Contrariamente el etanol es producido a partir de fuentes renovables. Si el

combustible y la materia prima utilizados para la producción del etanol, son

producidos usando combustibles renovables, la producción y la combustión de

éstos resultara libre de emisiones netas de CO2. El carbono liberado como CO2

en la combustión será reutilizado durante el crecimiento de la materia prima para

la producción de etanol (plantas, por medio de la fotosíntesis); reduciendo las

emisiones de GEI [9]. En la Tabla 1-VI se puede observar un resumen de las

ventajas y desventajas de utilizar etanol como combustible.

1.3.3 Energía necesaria para producir etanol y gasolina

Para algunos combustibles existe una buena correlación entre el

consumo de energía requerido para la producción del combustible y la cantidad

de emisiones de GEI. Los biocombustibles son diferentes, ya que una parte

substancial del ciclo de vida de éstos no está relacionada con el uso de energía

(por ejemplo, el tiempo de cultivo de la materia prima), pero casi todo el CO2 que

se emite a la atmosfera cuando éste es quemado, las plantas lo utilizaran de

nuevo para crecer. En la Tabla 1-VII se presenta la intensidad energética del

ciclo de vida de la gasolina y el etanol producido a partir de celulosa y maíz, el

objetivo de esta tabla es comparar la relación energética que existe en cada una

de las etapas para la producción de estos combustibles. Como se puede

observar el valor más alto de intensidad energética lo tiene el etanol producido a

partir de celulosa pero cabe mencionar que los procesos de producción de

1-10

etanol a partir de esta materia prima en la actualidad siguen en desarrollo para

lograr optimizar estas cifras.

Tabla 1-VI: Ventajas y desventajas del uso del etanol como combustible.

Ventajas Desventajas

Reducción de emisiones de NOx, CO y HC Menor poder calorífico que la gasolina

Aumento del octanaje de las gasolinas Pérdida de potencia del motor

Creación de nuevos mercados para

productos agrícolas

Problemas por evaporación en altitud y a elevadas

temperaturas

Dificultades de arranque en frío

Incremento de la corrosión en algunas partes

metálicas

Mayor costo que los combustibles fósiles

Fuente: [7]

Tabla 1-VII: Intensidad energética del ciclo de vida de la gasolina y etanol.*

Combustible Gasolina Etanol Etanol

Materia Prima petróleo madera/pasto Maíz

Dispensación del combustible 0.0018 0.0028 0.0028

Distribución del combustible 0.0073 0.0150 0.0135

Producción del combustible 0.1520 2.1231 0.5095

Transmisión de materia prima 0.0111 0.0194 0.0285

Recuperación de materia prima 0.0484 0.0402 0.0849

Manufactura de agregados químicos

(pesticidas) NA 0.0789 0.1888

Total de energía requerida 0.2206 2.2794 0.8280

*MJ invertidos/MJ producidos

Fuente: [8]

En la Figura 1-3 se presenta una gráfica comparativa del consumo de

energía no renovable para la elaboración de E85 (85% etanol) a partir de

diferentes materias primas. Las cifras representan la cantidad de MJ (megajoule)

de energía no renovable utilizada para la producción de gasolina o etanol que

deberá ser suministrada a un automóvil para que éste recorra un km de

1-11

distancia. La energía no renovable necesaria para producir gasolina es mucho

mayor que la necesaria para producir etanol independientemente de la materia

prima de la cual provenga, como se aprecia al comparar los 3.63 MJ de energía

no renovable/km necesarios para producir gasolina con energía requerida para

producir etanol a partir de maíz, pastos y arboles.

Figura 1-3: Consumo de energía no renovable para la elaboración de E85 [9].

1.3.4 Emisión de GEI en la producción de etanol y gasolina

El impacto del bioetanol en la producción de GEI es muy significativo ya

que el sector de transportación es el mayor contribuyente a la emisión de éstos,

ocupando un tercio de la cantidad total de gases emitida. La más grande

ventaja que se le atribuye al bioetanol es su baja emisión de GEI, sobre todo

1-12

cuando es comparado con las emisiones de otros combustibles utilizados en

transportación. Esto se debe principalmente a que la materia no fermentable y

los residuos sólidos resultantes del proceso de obtención del etanol, pueden ser

quemados o gasificados para proveer todo el calor y la energía necesaria para la

producción del mismo [10].

Figura 1-4: Emisiones totales de GEI en diferentes mezclas de etanol [9].

En la Figura 1-4 se puede observar que por cada kilómetro recorrido

usando combustibles E10, E85 y E100, el total de emisiones de GEI baja 17.25,

200.23 y 254.13 g de CO2/km respectivamente. En el caso del combustible E100

hay una reducción de 106% en comparación con los gases emitidos cuando un

vehículo recorre 1 km usando gasolina como combustible [9].

El ciclo de vida de emisiones de GEI en g de CO2 por km recorrido en un

automóvil que utiliza E85 es menor en un 57% que aquellos que utilizan gasolina

como se puede observar en la Figura 1-5. La mayoría de las emisiones en los

1-13

dos casos corresponde al CO2. Las emisiones asociadas con el combustible E85

están relacionadas en su mayoría con la producción y la combustión de la

fracción que corresponde a la gasolina en la mezcla del combustible, el uso de

fertilizantes y herbicidas durante el crecimiento de la cosecha, de las actividades

agrícolas y del transporte. Las emisiones de GEI asociadas con la gasolina se

deben a la combustión y al desprendimiento de carbono, el cual aumenta la

concentración de CO2 en la atmosfera.

Figura 1-5: Ciclo de vida de emisiones de GEI en automóviles [11].

1.4 Materias primas de las cuales se ha obtenido etanol

Existen una gran variedad de materias primas con las cuales se ha

producido etanol, ya sea industrial o experimentalmente. El primer programa

masivo de energías renovables a nivel mundial de producción de bioetanol a

1-14

partir de caña de azúcar, se inició en Brasil en 1975. Programas similares se han

iniciado en Austria, Canadá, Francia, Alemania, España, Suecia y Estados

Unidos [1]. En este último el 95% del bioetanol se obtiene a partir del maíz el

resto es producto de la fermentación de trigo, cebada, sorgo, suero del queso, y

residuos de bebidas, y en Francia a partir de remolacha y trigo [12].

El hecho de que se utilicen las materias primas antes mencionadas pone

en riesgo el abastecimiento de productos alimenticios. Si se desean aprovechar

las ventajas ambientales del etanol producido a partir de biomasa es necesario

encontrar materias primas que no comprometan el abastecimiento de alimentos

a la humanidad.

Tabla 1-VIII: Plantas productoras de etanol a partir de celulosa.

Localización Materia prima

Ottawa, Canadá Pedacería de madera

Ottawa, Canadá Paja de trigo

Muscle Shoals, AL, EUA Madera

Fayetteville, AR, EUA Madera blanda y corteza

Golden,CO, EUA Desechos de maíz

Aberdeen, MS, EUA Residuos de madera y paja de arroz

Izumi, Japón Pedacería de madera

Pirassununga, Brasil Gabazo

Ichikawa, Chiba, Japón Residuos de madera

Ornskoldsvik, Suiza Aserrín

Ft. Lupton, CO, EUA Desechos de maíz y bagazo

Phoenix, AZ, EUA Basura municipal

Odense, Dinamarca Paja de trigo

York, NE, EUA Desechos de maíz

Ottawa, Canadá Paja de trigo, avena y cebada

Kauai, HI, EUA Bagazo y residuos de madera

Jenkins, LA, EUA Bagazo y cascarilla de arroz

Suiza Residuos de madera blanda

Fuente: [12]

1-15

El etanol celulósico tiene la ventaja de poder reducir las emisiones netas de

CO2 casi a cero y puede ser derivado de una diversa y extensa fuente de

recursos. Por ejemplo, puede ser producido a partir de diferentes especies de

árboles tales como el álamo híbrido, sauce y arce de plata; residuos de madera

incluyendo virutas y aserrín; desechos de obras de construcción, residuos

municipales, papel y lodo de aguas residuales; residuos de la cosecha del maíz,

residuos del procesamiento del maíz y caña de azúcar; paja de cereales como

trigo, avena, cebada, arroz; y hierbas tales como zacate, sorgo y miscanthus.

Es en esta línea de investigación, que se estudio la obtención de etanol a partir

del zacate buffel.

1.4.1 Buffel

El zacate buffel (Cenchrus ciliaris) es una planta perenne, crece en el

verano y puede llegar a crecer hasta 150 cm de alto. Este zacate soporta desde

climas sub-tropicales hasta regiones cálidas con veranos lluviosos y largas

temporadas de sequía, ya que puede vivir hasta un año sin agua de lluvia y

puede ser sembrado en suelos arenosos.

Tabla 1-IX: Composición química del forraje de zacate buffel.

Componente % en peso de materia seca

Materia orgánica 84.4

Proteína cruda 10.0

Fibra detergente neutra 74.4

o Celulosa 35.3

o Hemicelulosa 31.8

o Lignina detergente acido 5.3

o Cenizas insolubles en acido 2.1

Fuente: [13]

1-16

Es originario de África Ecuatorial, Sudáfrica, India e Indonesia.

Primeramente fue introducido a Estados Unidos de América desde Sudáfrica, se

expandió a México en 1954 y después a los demás países americanos. México

siembra anualmente cerca de 200000 hectáreas con esta gramínea y contando

ya con más de 1000000 hectáreas en producción, solamente en el estado de

Sonora [14].

El buffel cuando esta tierno (verde) sirve de alimento para el ganado

bovino y ovino, pero una vez seco este representa un alimento pobre para éstos

animales (ver Tabla 1-IX); siendo en estas condiciones como se estudio el

procesamiento de esta planta para la obtención de bioetanol en el presente

proyecto de tesis.

Figura 1-6: Zacate buffel en el desierto Arizona-Sonora1.

1 Esta fotografía fue tomada de la página web del Museo del Desierto,

http://www.desertmuseum.org/programs/images/Pencil38a.jpg, el día 4 de junio del 2009.