PROC PROCE ESO DE PRO PRODUCCIO CCION N DE ETANO TANOL LA PARTIR PARTIR DE MELAZ MELAZAS AS Ing. Ing. Esp. Esp. Luis Luis Arteaga,
[email protected] Ing. Esp. Esp. Geovan Geovanyy Carvajal,
[email protected] Ing. Ing. Oscar Oscar Bolaños
[email protected] Grupo de Investigación INMECNAR Facultad de Ingeniería Corporación Universitaria Autónoma de Nariño Abstract:
This article article describes describes the distillation process for the production production of ethanol from molasses. At the same time, it`s introduced the previous treatments to those who must undergo the molasses, to ensure the fermentation and the different industry wastes of the ethanol..
Resumen:
El presente presente artículo artículo describe el proceso proceso de destilación destilación para la producción de etanol, a partir de melazas. Así mismo, presenta los tratamientos previos a los que debe someterse la melaza, para garantizar la fermentación y los diferentes residuos de la industrial del etanol.
Índice de Términos — Papa, Etanol, INMECNAR .
1. INTRO INTRODU DUCC CCIÓN IÓN Las fue fuentes tes con alt ltoo conte ntenid nido de azú azúcare ares son materias primas que poseen un alto contenido de azúcares simples y ferme ferment ntab able les, s, como como la gluc glucos osa, a, la fruct fructos osa, a, la galactosa y la sacarosa. Las más impo import rtan ante tess inclu incluyyen caña caña de azúc azúcar ar,, frut frutas as,, mela melazzas, as, tubé tubérc rcul ulos os y azúc azúcar ar de remo remola lach cha. a. La ventaja de utilizar este tipo de fuentes consiste en que no es necesario real realiz izar ar trat tratam amie ient ntos os previ previos os para para obte obtene nerr los azúcares fermentab tables, ya que estos se encuentran encuentran presentes. Act Actualm ualmeente la fue fuente con alt ltoo conte onteni nido do de azúc azúcar arees más más emp emplead leadaa son son las las mela melazzas, jarabes oscuros y de una alta viscosidad, viscosidad, las cuales son un subproducto resultante del proceso de refinación del azúcar. Inici Inicial almen mente, te, el térmi término no melaza se refe referí ríaa espe especí cífi fica came ment ntee al eflu efluen ente te fina finall obte obteni nido do lueg luegoo del proc proceesami samieento de los jug jugos de la
caña de azúcar o de la remolacha para obte obtene nerr saca sacaro rosa sa (azú (azúca carr comú común) n),, a part partir ir de evapor evaporaci ación, ón, crista cristaliz lizac ación ión y centri centrifug fugaci ación ón sucesivas; ah ahora, se reconoce como melaza a cualquier producto líquido que cont conten enga ga más más de 43% 43% de azúc azúcar ares es.. Existen al menos seis tipos de mel melazas, las cuales pueden ser empleadas pa para fermentación alcohólica. -
Melazas de caña de azúcar Mela Melaza zass hig high-te h-test st Refin Refiner ersca scanem nemola olasse ssess Mela Melaza zass de rem remolac olacha ha Refin Refiner ersbe sbeetm etmola olasse ssess Mela Melaza zass cítri ítrica cass
Las melazas comerciales usan comúnmente la esca escala la Brix Brix como como ind indic icado adorr de la gravedad específica y como una aproximación al contenido de sólidos totales. La escala Brix mide la gravedad
específica de un líquido en relación con una solución de azúcar (sacarosa) en agua; en otras palabras, es el contenido de azúcar en una solución de azúcar que tiene la misma gravedad específica del líquido de interés. Así, una melaza de 80º Brix tiene una gravedad específica de 1.416, la cual es la misma de una solución de sacarosa en agua que contiene 80% en peso de sacarosa. Es necesario aclarar que la escala Brix no mide la concentración real de azúcares o de sólidos totales en las melazas.
2. TRATAMIENTOS PREVIOS DE LA MELAZA Antes de realizar el proceso de fermentación alcohólica, es necesario someter a las melazas a tratamientos previos para condicionarla.
2.1 Esterilización: las melazas pueden contener microorganismos que pueden ser nocivos para la fermentación. El más común es la bacteria Leuconostocme-senteroides, el cual polimeriza las moléculas de sacarosa en dextranos no fermentables. Asimismo, puede encontrarse en las melazas la bacteria Zymomonasmobilis; esta bacteria puede convertir los azúcares en etanol, pero también tienen el efecto de reducir los compuestos azufrados para producir un olor similar al sulfuro de hidrógeno, lo cual es desastroso para la producción de ron de buena calidad. 2.2 Dilución: la altísima concentración de azúcares y sales presentes en las melazas impiden que los microorganismos puedan fermentarlas, debido a la gran presión osmótica que generan sobre sus paredes celulares; asimismo, las melazas son altamente viscosas, y su manipulación es difícil en estas condiciones. Por estas razones, es necesario diluir las melazas; para ello, se les agrega agua, hasta obtener
diluciones de 25º Brix o menores; a valores mayores se tiene el riesgo de inicios lentos de fermentación y contaminación bacteriana.
2.3 Adición de nutrientes: en ocasiones es necesario añadir algunos elementos adicionales, con el fin de complementar los nutrientes necesarios para los microorganismos que realizarán la fermentación. Para las melazas de caña de azúcar, es necesario añadir algo de nitrógeno y fósforo. Para producción de alcohol carburante, el nitrógeno puede añadirse en forma de urea. Los requerimientos en fósforo pueden cubrirse con fosfato de diamonio, con la correspondiente disminución de urea o la fuente de nitrógeno usada. Además de lo anterior, hay otra serie de pretratamientos previos a la fermentación, encaminados en su mayoría a reducir compuestos suspendidos o disueltos en las melazas que pueden causar incrustaciones o bloqueo en los platos de las columnas de destilación, disminuyendo su capacidad. Algunos autores recomiendan realizar un “enfoque multietapa” del problema, en lugar
de invertir en costosos sistemas de pretratamiento de melazas, con el fin de sedimentar los sólidos en diversas etapas del proceso. Algunas de estas recomendaciones se tienen. Dilución previa de las melazas a 45º Brix
con agua caliente, manteniendo por algunas horas una temperatura de alrededor de 70ºC; esto provoca la sedimentación de una parte considerable de los sólidos suspendidos En lo posible usar fermentadores con fondo de pendiente inclinada, para mejorar la separación de sólidos. En lo posible, debería haber una segunda decantación en el beerwell1. Es preferible realizar una extracción por
encima del fondo del beerwell, y tener un número de válvulas simples entre el fondo y el punto de descarga, para monitorear la acumulación de la pasta de sólidos en el fondo del beerwell. Tener un buen sistema de control de prueba en la sección de rectificación Seleccionar un diseño apropiado de columna de despojamiento que sea menos susceptible a problemas de incrustaciones, tales como platos de tabique o sistemas “disco y dona”
Usar ácido hidroclórico en lugar de ácido
sulfúrico. Algunas de las sales de calcio de la melaza reaccionan con el ácido sulfúrico, formando sulfato de calcio, cuya insolubilidad aumenta con la temperatura. Esto representa un problema cuando el caldo de fermentación de somete a los procesos de destilación y el sulfato de calcio se precipita en los platos Decantar los fondos de la destilación en el tanque de fondos, antes de bombearlo al evaporador, para evitar el envío de sólidos a éste. Luego que el pH del caldo de fermentación se ajusta entre 4.0-5.0 (con ácido mineral diluido), se inocula con los microorganismos para iniciar la fermentación.
3. FERMENTACIONES A ESCALA INDUSTRIAL Las fermentaciones alcohólicas a escala industrial necesitan de ciertas condiciones especiales de manejo para que se lleven a cabo correctamente.
3.1 Disipación del calor Las fermentaciones alcohólicas generan alrededor de 17000 BTU por cada 50 lb de etanol producido, aproximadamente entre la hora 10 y la hora 30 de fermentación. Para
ello, es necesario diseñar un sistema de enfriamiento que disipe ese calor generado, para evitar un sobrecalentamiento del fermentador.
3.2 Manejo de la fermentación
temperatura
de
La fermentación alcohólica es una reacción exotérmica, como se observa en el punto anterior, provocando un aumento en la temperatura del sistema. En el caso de las levaduras, la temperatura óptima de fermentación es de 32ºC, y su temperatura óptima de reproducción es de 28ºC. Si no se tiene un adecuado sistema de enfriamiento, el aumento de la temperatura causa inhibición en el proceso de fermentación, ya que estos microorganismos no toleran temperaturas tan altas. Por lo general, las fermentaciones realizadas a temperaturas por encima de la temperatura óptima comienzan más rápido, pero asimismo disminuyen prematuramente, no llegando a completarse o tomando demasiado tiempo para ello. Además, estos incrementos favorecen el crecimiento de Lactobacillus, bacteria que compite con las levaduras por la glucosa, produciendo ácido láctico, este producto metabólico inhibe considerablemente la fermentación, provocando su detención o una dramática disminución.
3.3 Contaminación La bacteria contaminante más comúnmente encontrada es Lactobacillus, y ya se mencionó su efecto sobre la fermentación alcohólica. Se ha encontrado que la cantidad de ácido láctico necesaria para inhibir a las levaduras se encuentra alrededor del 1.4% en peso o superior. Es difícil precisar la cantidad de bacterias presentes, para determinar el grado de contaminación,
debido a la diferencia de eficiencia entre las diversas especies de Lactobacillus para producir ácido láctico; por ello, es conveniente construir curvas de titulación de ácido láctico para diversas fermentaciones y luego emplear desviaciones estándar para determinar el límite de titulación. La forma más efectiva de prevenir y controlar la contaminación es agregando algún antibiótico basado en penicilina, dada su estabilidad en las condiciones de pH y temperatura en las fermentaciones, así como su economía. Otras sustancias empleadas incluyen dióxido de cloro y amoniaco líquido.
3.4 Nivel de Alcohol.
Los altos niveles de etanol en el medio provocan inhibición de la fermentación. Para el caso de las levaduras, se ha reportado daño en la membrana o cambio en sus propiedades. El etanol inhibe el crecimiento de la levadura y la producción de alcohol en forma no competitiva, y concentraciones por encima de 110 g/L los detienen totalmente, aunque con las levaduras más tolerantes es posible una producción de etanol (más no crecimiento) con una concentración de un 20% de éste.
4. PROCESOS DE SEPARACIÓN POR DESTILACIÓN Luego del proceso de fermentación, es necesario aplicar métodos de separación para obtener el etanol. La operación más común y ampliamente utilizada para obtener etanol a altas concentraciones (por encima del 90%) es la destilación convencional. Sin embargo, para alcohol carburante, es necesario emplear procesos posteriores de desnaturalización y deshidratación, ya que los requerimientos funcionales de los motores exigen que el etanol se encuentre totalmente libre de agua; además, las propiedades físico-químicas de las mezclas etanol-agua impiden que la destilación convencional realice una separación completa.
La destilación es una de las más importantes operaciones unitarias empleadas en los procesos de separación. Los sistemas modernos de destilación son multi-etapa, continuos, en contracorriente y de contacto vapor-líquido que operan dentro de las leyes físicas que establecen que materiales distintos bullen a distintas temperaturas. La figura de abajo muestra un equipo típico de destilación fraccionada a nivel industrial.
El líquido proveniente de la fermentación se alimenta en la columna de destilación, dividiéndola en dos secciones: la sección de agotamiento (por debajo del punto de alimentación) y la sección de rectificación (por encima del punto de alimentación). El líquido desciende gradualmente por la sección de agotamiento. Al mismo tiempo, se genera vapor desde el fondo de la columna, el cual va extrayendo sucesivamente etanol del líquido descendente, enriqueciéndose con alcohol paulatinamente a medida que asciende por la columna. Finalmente, la mezcla rica en etanol se condensa y se divide en dos corrientes: el producto de cabeza y el reflujo; este último se devuelve a la cima de la columna, para suministrar el líquido requerido en la sección de rectificación. El análisis del sistema de destilación aguaetanol se realiza con base en cantidades molares, en lugar de cantidades volumétricas o másicas. La razón de esto es el principio de balance de energía denominado constantmolaloverflow, el cual postula que la energía requerida para evaporar o condensar una mol de etanol es aproximadamente igual a la energía para condensar o evaporar una mol de agua, y también es, como se ve en la figura, la información presentada gráfica de las composiciones molares líquido-vapor es la base para diseñar los equipos y sistemas para llevar a cabo las tareas de destilación. La destilación convencional separa la mayor parte del agua, llegando a una concentración máxima de 95,6% de etanol en peso, cuyo punto de ebullición a 1 atm es de 78.2ºC; este es el límite de separación para esta operación, ya que este es el punto donde la mezcla etanol- agua alcanza la composición azeotrópica.
En el azeótropo, la mezcla etanol-agua alcanza un valor de composición constante; en términos prácticos, esto significa que, en condiciones normales, el vapor rico en etanol en la cima de la torre de destilación tiene la misma composición del líquido del cual se generó por ebullición, haciéndose imposible una separación mayor.
Para lograr una concentración mayor de etanol y deshidratarlo totalmente, es necesario romper el azeótropo y, por lo tanto, emplear otros métodos de separación.
5. RESIDUOS DE LA INDUSTRIA DEL ETANOL
Uno de los principales problemas ambientales de la industria del etanol son las vinazas procedentes de los procesos de destilación para obtener el etanol azeotrópico. Las vinazas son los fondos que quedan en los calderines de las torres de destilación. Son líquidos oscuros, con una gran cantidad de sólidos suspendidos, tanto de materia orgánica como inorgánica. Una destilería típica puede producir cerca de 20 L de vinazas por cada L de etanol producido. Además, estos residuos poseen un gran contenido de sales (con predominio de iones K, Ca y SO4) y un pH bajo. Se han propuesto diversas alternativas de tratamiento y reutilización de estos efluentes, tanto para solucionar un problema ambiental como para ahorrar costos y obtener subproductos con valor agregado, incluso etanol. A continuación se mencionarán algunas de estas alternativas:
5.1 Fertilizantes La opción más económica para tratar con las vinazas es utilizándolas como fertilizantes. El problema con esta opción es que requiere un estricto manejo en su aplicación sobre los suelos, ya que pueden contaminar las aguas subterráneas con nitratos, alterar drásticamente el pH de los suelos al disminuirlo (cono vinazas ricas en sulfatos) o aumentarlo (con vinazas de melazas digeridas en forma anaerobia), y provocar alteraciones en la columna del suelo. Para evitar estos inconvenientes, las vinazas se someten previamente a un proceso de compostaje, el cual consiste en mezclarlas con residuos agrícolas (como los provenientes de la caña de azúcar), colocarlos en el suelo y permitir la acción de microorganismos para producir abono.
Los inconvenientes que presenta esta alternativa son los largos tiempos de residencia (35 días) y la evaporación del agua, en gran parte acelerada por el carácter exotérmico de la reacción biológica. Sin embargo, según lo reportado por algunos autores, se obtienen productos de buena calidad; al usar bacterias nitrificadoras como Nitrosococusoceanus, se produce una desintoxicación de las vinazas que las hace muy adecuadas para los cultivos de arroz.
5.2 Digestión anaerobia La digestión anaerobia es un tratamiento biológico en donde se reducen los valores de demanda biológica y química de oxígeno de las vinazas por medio de cultivos mixtos de bacterias. Los compuestos orgánicos se degradan por medio de enzimas hidrolíticas a ácidos solubles y azúcares, los cuales son degradados por bacterias acidogénicas hasta ácidos grasos volátiles; estos compuestos se degradan posteriormente a acetatos, dióxido de carbono e hidrógeno por bacterias acetogénicas. Finalmente, estos intermedios se convierten en metano por la acción de bacterias metanogénicas.
5.3 Incineración La incineración de vinazas con alto contenido orgánico es una forma de obtener un retorno positivo de energía, así como la recuperación de minerales. Antes de su incineración, las vinazas son sometidas previamente a un proceso de evaporación, donde se concentran hasta obtener un contenido de sólidos del 50-60%. Una vez concentradas las vinazas, se someten a incineración en calderas; debido al alto contenido de cenizas, las calderas requieren diseños especiales, para evitar contaminación e incrustaciones, lo cual limita las temperaturas de incineración por debajo de 700ºC. Estas cenizas tienen altos
contenidos en potasio (30-40% K O y 2-3% P2O5), las cuales se emplean como fertilizante, luego de su dilución en agua y neutralización con ácido sulfúrico; se obtiene 25-35 kg de producto por cada 1000 m3 de vinaza incinerada, y contiene 16% de cloruro de potasio y 7% de carbonato de potasio. Los problemas reportados con este método son los altos requerimientos energéticos para concentrar las vinazas, así como el consumo de parte de la energía de combustión en la evaporación del agua remanente.
5.4 Oxidación con agua supercrítica Esta tecnología es relativamente nueva, la cual viene estudiándose desde la década de 1990 para el tratamiento de efluentes y aguas residuales. Asimismo, se venido nestudiando en la Universidad del Valle (Cali, Colombia) como método alternativo de tratamiento de vinazas. La oxidación con agua supercrítica (SCWO) es un proceso donde se da una reacción de oxidación en agua por encima de su punto crítico (647 K y 22.1 MPa). Uno de los aspectos clave de este método es la tendencia a la oxidación de los componentes orgánicos disueltos en agua supercrítica en presencia de oxígeno, produciéndose agua, sólidos limpios (óxidos metálicos, sales) y gas limpio (CO 2 y N2).
formación de ácidos minerales como HCl, H2SO4 y H2PO3 durante el proceso) y la precipitación de sales inorgánicas debido a las condiciones supercríticas, lo que sugiere que es necesario seguir realizando investigaciones para un empleo más difundido de esta tecnología.
6. CONCLUSIONES Existen fuentes con alto contenido de
Se ha encontrado que este método brinda resultados prometedores, lográndose conversiones de hasta 97% de la materia orgánica a 4500 psi (31.0 MPa) y 450 ºC con tiempos de reacción no mayores a 3.5 min. Esto sugiere que se pueden lograr conversiones superiores con tiempos de reacción no mayores a 5 minutos. Aún se presentan problemas operativos, que incluyen control de la corrosión (por la
azúcar, como la glucosa, la fructosa, la sacarosa y la galactosa. Las más importantes incluyen la caña de azúcar, las frutas y los tubérculos. La melaza es un subproducto líquido de la refinación de la azúcar, con un contenido superior al 43%. Antes de realizar el proceso de fermentación alcohólica, es necesario someter a las melazas a tratamientos previos para condicionarla. Por ello, es necesaria la: esterilización, dilución, adición de nutrientes y la reducción de compuestos suspendidos o disueltos. Las fermentaciones alcohólicas a escala industrial necesitan de procesos de disipación de calor, manejo de la temperatura de fermentación, control de la contaminación bacteriana y medición de los niveles de alcohol. Uno de los procesos utilizados para la obtención de alcohol es la destilación, el cual permite obtener concentraciones superiores al 90%. Para obtener alcohol carburante es necesario emplear procesos posteriores para garantizar que el combustible se encuentre totalmente libre de agua. Las vinazas obtenidas de los procesos de destilación de alcohol pueden ser utilizadas como fertilizantes, previo un proceso de compostaje.
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