como combustible alternativo para la automoción, con el objeto de disminuir la dependencia de los combustibles derivados del petróleo. A partir de mediados de los 80, a este objetivo se le han unido las políticas de mejora medioambientales, enfocadas principalmente a una reducción de las emisiones contaminantes.
En España, el etanol se emplea en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 %, que no requieren
modificaciones en los motores actuales.
Ventajas e inconvenientes del empleo de bioetanol.
La principal ventaja, desde el punto de vista medioambiental, del empleo de bioetanol como combustible es la reducción de contaminantes con respecto al uso de gasolina exclusivamente. Para mezclas de hasta un 5 % de etanol se reducen las emisiones de monóxido de carbono, óxidos de azufre e hidrocarburos. Sin embargo, aumenta los niveles de aldehídos y los óxidos de nitrógeno.
Por otra parte, los principales países productores empiezan a tener presiones de diversas organizaciones que
denuncian que se empleen recursos necesarios para cubrir las necesidades básicas de alimentación de la población en la producción a gran escala de combustibles.
Desde el punto de vista técnico las mejoras producidas por mezclas de bioetanol con gasolina, deben analizarse en función de si los motores de combustión están modificados o no para aumentar su rendimiento.
Así, sin realizar modificaciones en el motor, las principales desventajas que se presentan son las siguientes
- Reducción de la potencia y el par motor. Se dan reducciones de un 2 % para mezclas al 15 % de etanol.
- Aumento del consumo. Se observaron aumentos del 4 % para mezclas del 15 % de etanol.
- Aumento de la corrosión de las partes metálicas y componentes de caucho.
Sin embargo, realizando modificaciones en el motor como el aumento de la relación de compresión y adaptación de la carburación, se consigue:
- Mayor potencia y par motor. Se obsevaron aumentos del 9 % con mezclas del 20 % de etanol.
- Reducción del consumo, de un 7 % con respecto a lo que se obtendría sólamente con gasolina.
- Mejor combustión, con un menor índice de carbonización y emisión de gases contaminantes. Se constatan reducciónes de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados al aumentar el porcentaje de etanol en la mezcla.
Proceso de producción de bioetanol.
El bioetanol se produce industrialmente a partir de diferentes tipos de materia vegetal, entre las que destacan
la caña de azúcar y el maíz, utilizadas como principales materias primas en Brasil y Estados Unidos, respectivamente, que son los países con mayor volumen de producción de bioetanol.
Las materias primas utilizadas en la producción de etanol pueden clasificarse en:
- De alto contenido en azúcares: con elevado contenido en mono y disacáridos como glucosa, sacarosa, fructosa y maltosa. Dentro de esta clasificación entrarían la caña de azúcar y la remolacha.
- Amiláceas: con alto contenido en almidón, como el maíz y la soya.
- Lignocelulósicas: con alto contenido en celulosa, hemicelulosa y lignina, como restos forestales, papel, bagazo,...
Las etapas básicas del proceso de conversión de la materia vegetal a etanol son:
1.- Pretratamiento. En esta etapa se realiza la preparación, acondicionamiento y conversión de la materia vegetal en azúcares fermentables. Dentro de este tipo de operaciones se incluyen procesos de lavado, desfibrado, molienda, extracción, hidrólisis y otras etapas de acondicionamiento de la materia vegetal en función del tipo de materia vegetal de partida. Las materias vegetales con alto contenido de azúcares requieren menos tratamientos preliminares, mientras que las materias amiláceas y celulósicas necesitan una etapa de hidrólisis antes de afrontar la etapa de fermentación.
2.- Fermentación. Consiste en una secuencia de reacciones donde se obtiene etanol y dióxido de carbono a partir de azúcares fermentables por medio de la acción de biocatalizadores, como levaduras y bacterias. La reacción general que tiene lugar durante la fermentación es:
3.- Destilación y purificación. Normalmente se aplica una destilación azeotrópica seguida de destilación extractiva, para la obtención de etanol de grado carburante (deshidratado) y otros subproductos que puedan ser usados en la obtención de químicos o combustibles.
En el siguiente diagrama se muestran las etapas básicas del proceso de obtención de bioetanol en función de la materia prima de partida.
Se describirá más detalladamente el proceso de obtención de bioetanol para materias de alto contenido en azúcares y para materias amiláceas.
1.1.- Pretratamiento para materias con alto contenido en azúcares.
Dentro de este tipo de materias encontramos la caña de azúcar y la remolacha, principalmente. En este caso el pretratamiento comprende sólamente la extracción del jugo azucarado y su clarificación. El proceso de extracción y clarificación del jugo a partir de caña de azúcar consta de los siguientes pasos:
- La caña es lavada con agua a 40 ºC y llevada a unas desfibradoras que se encargan de cortar los tallos
y desfibrar la caña, Como tratamiento previo a la extracción del jugo.
- Posteriormente es llevada a una serie de molinos, donde se extrae el jugo por presión, al mismo tiempo que se añade agua caliente para extraer la máxima cantidad de sacarosa.
- Se realiza un precalentamiento del extracto a 65-70 ºC, seguido de una etapa de sulfitación por adición de SO2, logrando con esto una reducción del color, viscosidad y microorganismos. Posteriormente se realiza una neutralización por adición de CaO y se lleva a los clarificadores, donde se elimina la cal, arenas, silicatos por medio de una floculación y una sedimentación, obteniéndose el jugo azucarado claro y unos lodos. Estos lodos se filtran y se recircula el jugo filtrado al sedimentador.
1.2.- Pretratamiento para materias amiláceas.
El maíz es la materia prima más usada para la producción de etanol, principalmente por la alta eficiencia del
proceso de molienda, del cual se puede obtener un almidón del 98 % de pureza y varios subproductos.
Las etapas que constituyen el pretratamiento son:
- Molienda. Industrialmente existen dos tipos de molienda para la producción de etanol a partir de maíz: la molienda en húmedo, empleada en plantas con elevado volumen de producción, y la molienda en seco, empleada en plantas de pequeño y mediano volumen de producción. La molienda en húmedo es elegida cuando se quieren obtener otros subproductos, tales como el sirope, fructosa, dextrosa, etc. además de la producción del alcohol.
En este proceso, el maíz es escaldado en agua caliente, lo que ayuda a romper las proteínas, liberar el almidón presente en el maíz y ablandar el grano para el proceso de molido. El maíz es molido para obtener el germen, la fibra y la fécula. Con el germen se obtiene aceite y la fécula se centrífuga y sacarifica para producir una pasta de gluten húmeda.
En el siguiente diagrama se puede ver la secuencia sintetizada del proceso.
La molienda en seco comprende la limpieza y molienda del grano hasta un polvo fino, una harina con el germen, la fibra y la fécula del maíz. Para producir una solución azucarada la harina es hidrolizada o convertida en sacarosa usando enzimas o una disolución ácida.
-Hidrólisis.
La hidrólisis de almidón se lleva a cabo mediante procesos químicos o enzimáticos.La hidrólisis enzimática presenta ventajas frente a la hidrólisis química, como menores costes de equipamiento (debido a que se realiza a presión atmosférica y a temperatura próxima a la ambiental), mayores rendimientos y no necesita utilizar agentes químicos.
La reacción general para la producción de glucosa a partir del almidón por medio enzimático es:
La primera parte se conoce como proceso de licuefacción previa gelatinización, cuyo objetivo es solubilizar el almidón, y la segunda como sacarificación, donde se llevan las dextrinas intermedias hasta glucosa.
La licuefacción se realiza en un cocedero jet donde se aplica un calentamiento por vapor directo. La pasta de almidón, con un contenido en sólidos del 40-45 %, es mantenida de 10-15 segundos a 105-110 ºC, y posteriormente unas 2 horas a 90-95 ºC, con el fin de continuar la acción de la enzima añadida. El producto de esta hidrólisis contiene como principales productos alfa-dextrinas, maltosa, maltotriosa y maltopentosas.
Se presenta el diagrama de flujo del proceso:
La sacarificación consiste en una segunda etapa, tras la licuefacción del almidón, para hidrolizar a glucosa las
dextrinas formadas en la etapa anterior. Se lleva a cabo en tanques agitados tipo batch mediante las enzimas
amiloglucosidasa o glucoamilasa.
2.- Fermentación.
La técnología más utilizada es la aplicada en reactores batch. En la fermentación, la masa sacarificada se lleva a una temperatura de 32 ºC a una cascada de fermentadores en los que se encuentra la levadura con un tiempo de residencia de unas 46 horas a un pH sobre 3,5, controlando que la temperatura no sobrepase los 34 ºC. La levadura se recupera mediante el uso de centrífugas contínuas y se recircula al proceso.
La concentración del etanol en el licor de salida del fermentador es generalmente del 9 % en peso.
3.- Separación y purificación.
La separación de etanol a partir del licor fermentado se lleva a cabo por destilación, sin embargo
el etanol debe ser deshidratado posteriormente para ser utilizado como carburante. Esta etapa de deshidratación se puede realizar mediante varios métodos, como la destilación extractiva, tamices moleculares, extracción con fluidos supercríticos,...
La más empleada es la destilación extractiva. Es una técnica utilizada para separar la mezcla azeotrópica etanol-agua, y puede llevarse a cabo con agentes de separación líquidos como glicoles, glicerol, furfural, etilenglicol y tolueno, o agentes de separació sólidos como sales solubles.
La destilación extractiva convenvional con solventes líquidos requiere como mínimo una secuencia de 3 pasos. El primer paso consta de una destilación para llevar el etanol hasta una concentración cerca a su punto azeotrópico, en el segundo se realiza la destilación extractiva obteniéndose etanol anhidro como destilado y en el tercero se recupera el solvente por destilación para ser recirculado al proceso:
