I SE SEMI MI NARI O-TALLER O-TALLER BI OCOMBUS OCOMBUSTI TI BLES BLES BI ODI ESE SELL – BI OETANO OETANOLL 20 07 BOGOTÁ BOGOTÁ - COLOMBI COLOMBI A BI OETANOL OETANOL
Documento preparado preparado como apoyo al Taller Tecnologías de Producción de Bioetanol. Este documento no es un trabajo de investigación, sino una recopilación bibliográfica bibliográfica Introducción
El etanol es uno de los productos biotecnológicos más antiguos, ya obtenidos por egipcios y las diferentes civilizaciones de Mesopotamia (sumerios, asirios, babilonios, entre otros) en forma de bebidas alcohólicas. En tiempos más modernos, los avances de disciplinas tales como la microbiología, la enzimología, la bioquímica, la ingeniería química y la ingeniería genética han logrado construir todo un conocimiento científico alrededor de las fermentaciones alcohólicas, así como sobre otras formas de obtener etanol, de tal forma que su proceso de producción a nivel industrial ha tenido una importante evolución.
Fig. 1. Fuentes industriales del etanol (tomado de Kosaric et al, 1987, 588)
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Fu n d a m e n t o s b i o q u í m i c o s d e l a f e r m e n t a c i ó n a l co co h ó l i c a
La fermentación alcohólica comprende toda una serie de reacciones bioquímicas a través de las cuales algunos microorganismos, por medio de un conjunto de enzimas producidas por ellos (o añadidas artificialmente), realizan una transformación de azúcares para convertirlos en etanol, dióxido de carbono y energía. La reacción global general que resume todo el proceso cuando se fermentan hexosas es: nC 6 H 12 O6
microorganismos , enzimas ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
2nCH 3CH 2 OH
+
2nCO 2
Tradicionalmente, los microorganismos más empleados en la obtención de bioetanol son las levaduras, aunque existen varios tipos de bacterias y hongos que también son capaces de sintetizarlo en cantidades considerables. La fermentación alcohólica se realiza en ausencia de oxígeno, excepto durante el ti empo de inoculación, durante el cual se insufla una pequeña cantidad para permitir un crecimiento limitado de los microorganismos. En el caso de las levaduras, cuando éstas toman el azúcar del medio, se inicia toda una serie de reacciones intermedias, conocidas como la ruta glicolítica o ruta Embden-Meyerhof. A través de este proceso bioquímico, las levaduras rompen los azúcares en energía, intermediarios útiles para el crecimiento de las células, y una gran cantidad de productos finales (etanol, dióxido de carbono y calor), los cuales son excretados por las levaduras. El esquema de la parte inferior muestra el proceso metabólico completo:
Fig. 2. La ruta glicolítica o de Embden-Meyerhof (tomado de Lyons, T.P. et al, 1995, 56)
Sin embargo, existen otros microorganismos que siguen rutas metabólicas distintas durante la fermentación alcohólica. Muchas bacterias, como las Zymomonas sp., transforman el azúcar a partir de la 2
Fu n d a m e n t o s b i o q u í m i c o s d e l a f e r m e n t a c i ó n a l co co h ó l i c a
La fermentación alcohólica comprende toda una serie de reacciones bioquímicas a través de las cuales algunos microorganismos, por medio de un conjunto de enzimas producidas por ellos (o añadidas artificialmente), realizan una transformación de azúcares para convertirlos en etanol, dióxido de carbono y energía. La reacción global general que resume todo el proceso cuando se fermentan hexosas es: nC 6 H 12 O6
microorganismos , enzimas ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
2nCH 3CH 2 OH
+
2nCO 2
Tradicionalmente, los microorganismos más empleados en la obtención de bioetanol son las levaduras, aunque existen varios tipos de bacterias y hongos que también son capaces de sintetizarlo en cantidades considerables. La fermentación alcohólica se realiza en ausencia de oxígeno, excepto durante el ti empo de inoculación, durante el cual se insufla una pequeña cantidad para permitir un crecimiento limitado de los microorganismos. En el caso de las levaduras, cuando éstas toman el azúcar del medio, se inicia toda una serie de reacciones intermedias, conocidas como la ruta glicolítica o ruta Embden-Meyerhof. A través de este proceso bioquímico, las levaduras rompen los azúcares en energía, intermediarios útiles para el crecimiento de las células, y una gran cantidad de productos finales (etanol, dióxido de carbono y calor), los cuales son excretados por las levaduras. El esquema de la parte inferior muestra el proceso metabólico completo:
Fig. 2. La ruta glicolítica o de Embden-Meyerhof (tomado de Lyons, T.P. et al, 1995, 56)
Sin embargo, existen otros microorganismos que siguen rutas metabólicas distintas durante la fermentación alcohólica. Muchas bacterias, como las Zymomonas sp., transforman el azúcar a partir de la 2
ruta Entner-Doudoroff, la cual, por sus características, obliga al microorganismo a producir menos biomasa (comparado con las levaduras) y canalizar más carbono hacia los productos finales. La figura muestra esta ruta metabólica:
Fig. 3. La ruta metabólica Entner-Doudoroff (extraida de http://dwb.unl.edu/Teacher/NSF/C1 http://dwb.unl.edu/ Teacher/NSF/C11/C11Links/ww 1/C11Links/www.bact.wisc.edu/B w.bact.wisc.edu/Bact303/empwy.jpeg act303/empwy.jpeg))
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Materias primas
La biomasa a partir de las cuales es posible obtener etanol por medio de la fermentación alcohólica contiene azúcares (glucosa, fructosa, xilosa, entre otros) o polisacáridos (almidón, celulosa, hemicelulosa). Esta biomasa se puede clasificar convenientemente en tres tipos principales. Fuentes con alto contenido de azúcares, fuentes con alto contenido de almidón, y fuentes con alto contenido de celulosa. Los procesos de obtención globales se pueden visualizar en la siguiente figura
Fig. 4. Proceso de producción de bioetanol. Producción propia (tomado de García y García, 2006, 76)
Fu e n t e s co co n a l t o c o n t e n i d o d e a z ú c a r e s :
Son materias primas que poseen un alto contenido de azúcares simples y fermentables, como la glucosa, la fructosa, la galactosa y la sacarosa. Las más importantes incluyen caña de azúcar, frutas, melazas y azúcar de remolacha. La ventaja de utilizar este tipo de fuentes consiste en que no es necesario realizar tratamientos previos para obtener los azúcares fermentables, ya que estos se encuentran ya presentes. El esquema de producción de etanol a partir de caña de azúcar se visualiza en la parte inferior
Fig. 5. Esquema para la producción de alcohol carburante a partir de caña de azúcar (tomado de Cardona et al, 2005, 188)
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Actualmente la fuente con alto contenido de azúcares más empleada son las melazas, jarabes oscuros y de una alta viscosidad, las cuales son un subproducto resultante del proceso de refinación del azúcar. Inicialmente, el término melaza se refería específicamente al efluente final obtenido luego del procesamiento de los jugos de la caña de azúcar o de la remolacha para obtener sacarosa (azúcar común), a partir de evaporación, cristalización y centrifugación sucesivas; ahora, se reconoce como melaza a cualquier producto líquido que contenga más de 43% de azúcares (Curtin, 1983, 3) Existen al menos seis tipos de melazas, las cuales pueden ser empleadas para fermentación alcohólica (Lyons et al, 1995, 28): -
Melazas de caña de azúcar Melazas high-test Refiners cane molasses Melazas de remolacha Refiners beet molasses Melazas cítricas
Las melazas comerciales usan comúnmente la escala Brix como indicador 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. Antes de realizar el proceso de fermentación alcohólica, es necesario someter a las melazas a tratamientos previos para condicionarla. -
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Esterilización. Las melazas pueden contener microorganismos que pueden ser nocivos para la fermentación. El más común es la bacteria Leuconostoc mesenteroides, el cual polimeriza las moléculas de sacarosa en dextranos no fermentables (Lyons et al, 1995, 33). Asimismo, puede encontrarse en las melazas la bacteria Zymomonas mobilis; 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 (ibidem) 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 (Lyons et al, 1995, 31) 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 (Lyons et al, 1995, 31-32): -
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 5
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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 beerwell 1. 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. Fu e n t e s c o n a l t o c o n t e n i d o d e a l m i d ó n :
Son materias primas que poseen un alto contenido de almidón. Incluyen todos los cereales (maíz, arroz, trigo, centeno, cebada, etc), así como tubérculos como la yuca y la papa. Estas fuentes deben ser tratadas previamente para obtener los azúcares fermentables. En el caso de los cereales, estos deben someterse previamente a un proceso de hidrólisis del almidón, con el fin de romper este biopolímero en azúcares fermentables que estén disponibles para los microorganismos encargados de la fermentación alcohólica. La hidrólisis se puede se resumir en la siguiente ecuación (Sánchez y Cardona (a), 2005, 673): n(C 6 H 10 O5 ) Almidón
α − amilasa ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
Dextrinas
glucoamilasa ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
nC 6 H 12 O6 Glu cos a
Entre los cereales que pueden emplearse para la producción de alcohol carburante, el maíz es el de mayor uso. Existen dos métodos primarios para este proceso: la molienda seca (dry milling) y la molienda húmeda (wet milling). Ambos procesos tienen en su conjunto global los mismos pasos: preparación de la materia prima, la fermentación alcohólica, la recuperación del etanol y de los subproductos generados. No obstante, las operaciones unitarias comprendidas dentro de cada método, así como los subproductos obtenidos, varían de forma considerable. Un esquema de ambos procesos se puede visualizar en la parte inferior:
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Beerwell es el recipiente donde se encuentra el caldo de fermentación ya listo para ser destilado (Lyons et al, 1995, 300)
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Fig. 6. Molienda seca y húmeda explicadas (tomado de Vergagni, 2004, 23)
Por motivos prácticos, en este espacio solo se va a tratar el método de molienda seca, ya que es el proceso más frecuentemente usado en la extracción de almidón dentro de la industria de obtención de alcohol carburante, debido a los menores requerimientos de capital, tanto en el momento de construcción como de operación de la planta (Vergagni, 2004, 20). Un diagrama simplificado de este método se puede apreciar en la parte inferior.
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Fig. 7. Diagrama de flujo simplificado del método de molienda seca a partir de maíz para obtención de etanol (tomado de Kwiatkowski et al, 2006, 289)
La molienda seca comprende el siguiente conjunto de etapas: -
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Molienda. En esta etapa se obtienen las harinas de los cereales a partir de sus granos. Su fin es realizar una ruptura al menor tamaño de partícula posible, para obtener de esta forma una gran área superficial y facilitar la penetración del agua en la posterior etapa de cocción. Para esta operación, existe una amplia variedad de equipos de molienda; sin embargo, los más comúnmente empleados son los molinos de martillo (hammermills) y los molinos de rodillos (roller mills), estos últimos especialmente para granos pequeños de cereales (Lyons, T.P. et al, 1995, 11) Cocción: La cocción es la etapa que comprende desde la mezcla de la harina del cereal con agua hasta la obtención de una pasta húmeda lista para la fermentación (Lyons, T.P. et al, 1995, 13). En esta etapa se añaden diversos tipos de enzimas, para hidrolizar los almidones a dextrinas (con amilasas) y luego romper éstas a glucosa (con glucoamilasas). Los sistemas de cocción pueden ser en lotes o continuos. Un sistema típico de molienda y cocción puede visualizarse en la parte inferior
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Fig. 8. Sistema típico de molienda y cocción (tomado de Lyons et al, 1995, 13)
La primera operación en la cocción es la premezcla o prelicuefacción, en donde se realiza la mezcla de harina de cereal, agua y enzimas (α-amilasas), obteniéndose una pasta húmeda y viscosa, con un 20-40% en peso de sólidos (harina de cereal); esto se realiza con el fin de evitar la gelatinización del almidón en la siguiente etapa de cocción. El agua añadida es, por lo general, una mezcla de agua pura con aguas recicladas del proceso (llamadas backset), cuyo porcentaje suele encontrarse entre 20-40% de aguas tipo backset, aunque está última puede conformar entre 0 y 100% del agua utilizada (Dale y Tyner, 2006, 8). Las α-amilasas agregadas en esta operación logran transformar una parte de las cadenas de almidón en dextrinas, las cuales varían su longitud de cadena. Varias destilerías emplean α-amilasa obtenidas de Bacillus licheniformis, debido a su resistencia a las altas temperaturas (Lyons et al, 1995, 22) La segunda operación es la cocción como tal. La pasta húmeda del premezclado se introduce en un equipo de cocción, donde se somete a altas temperaturas (hasta 180ºC), con el fin de romper y solubilizar los gránulos de almidón, condición necesaria para el tratamiento enzimático posterior. La gelatinización ocurrida en este proceso aumenta la viscosidad de la pasta La tercera etapa es la licuefacción, en donde se reduce la temperatura de la pasta (hasta 90ºC) y se disminuye su viscosidad al agregarse nuevamente α-amilasas, obteniéndose una mezcla de dextrinas y pequeñas cantidades de glucosa (Sánchez y Cardona (a), 2005, 673). Una vez realizado esto, esta pasta ya se encuentra lista para someterse a una operación de sacarificación, donde las dextrinas se transforman en glucosa por la acción de glucoamilasas, obtenidas de Aspergillus niger o de especies del hongo Rhizopus (Sánchez y Cardona (a), 2005, 673). Esta operación se realiza a 60-70ºC, y puede darse en un tanque separado o en el mismo recipiente donde se va a realizar la fermentación; este último proceso se conoce como sacarificación y fermentación simultáneas (Simultaneous Saccharification and Fermentation. SSF). Luego de esta operación, se enfría la pasta hasta 32ºC y puede iniciarse la fermentación alcohólica. El proceso general para obtener alcohol carburante a partir de maíz se puede visualizar en la parte inferior 9
Fig. 9. Esquema para la producción de alcohol carburante a partir de maíz (tomado de Cardona et al, 2005, 188)
Los procesos comúnmente empleados para la fermentación a escala industrial del etanol a partir de fuentes ricas en almidón presentan un par de ventajas significativas: las altas temperaturas de cocción permiten una alta eficiencia de sacarificación del almidón, así como un ambiente estéril libre de microorganismos indeseables para la fermentación alcohólica. Sin embargo, los costos de producción se ven aumentados debido al alto consumo de energía durante la cocción y la gran cantidad de enzimas empleadas. Una alternativa a estos inconvenientes ha sido desarrollada, por medio de sistemas de cocción a baja temperatura y sistemas de fermentación sin cocción (Lin y Tanaka, 2006, 628) Fu e n t e s co n a l t o c o n t e n i d o d e c e l u l o s a :
Las materias primas con alto contenido de celulosa son las fuentes más abundantes de biomasa a nivel global, y su uso ha tenido un creciente interés global. Sin embargo, la compleja composición química de estas fuentes ha planteado retos tecnológicos que aún no han podido ser satisfactoriamente superados. Las principales fuentes lignocelulósicas están conformadas por (Lyons et al, 1995, 38): -
Madera: Bosques vírgenes, plantaciones, residuos primarios de bosques, residuos de procesamiento secundarios Residuos agrícolas: De cereales (trigo, arroz, cebada), bagazo (caña de azúcar, sorgo dulce), rastrojos o ameros (maíz) Residuos municipales Residuos de papel
La biomasa vegetal se compone en un 90% de lignocelulosa, la cual está conformada por polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) y lignina. La lignina es una molécula bastante compleja constituida por la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos (cumarílico, coniferílico y sinapílico), todos ligados entre si en una estructura tridimensional. La figura de abajo muestra una representación
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Fig. 10. Estructura general de la lignina (tomado de http://academic.scranton.edu/faculty/CANNM1/inorganic/inorganicmodulespan.html)
La lignina es el pegamento que mantiene unidas las fibras de celulosa y hemicelulosa a través de enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes, dificultando con ello su remoción total; asimismo, le confiere rigidez a las fibras y las protegen contra ataques microbianos. Así, el proceso de fermentación alcohólica a partir de materiales celulósicos es el más complejo. Requiere de tres pasos básicos: -
Deslignificación para liberar la celulosa y la hemicelulosa: Este es el paso determinante del proceso y el más difícil de resolver. Las tecnologías corrientemente empleadas son de dos tipos: Hidrólisis ácida y pretratamientos para hidrólisis enzimática. La hidrólisis ácida emplea ácidos concentrados o diluidos, y puede utilizarse virtualmente cualquier tipo de éstos; sin embargo, en la práctica se suele emplear ácido sulfúrico, por razón de costos. Para este proceso, los ácidos empleados disuelven los polisacáridos y los separan de la lignina; luego, la celulosa y la hemicelulosa se hidrolizan al diluir los ácidos, calentándose posteriormente para obtener los azúcares fermentables. Aunque las velocidades de reacción son rápidas, permitiendo un procesamiento continuo, un inconveniente serio es que los ácidos acuosos que hidrolizan los polisacáridos destruyen una gran cantidad de los azúcares en el proceso. Asimismo, los costos se ven aumentados por el carácter corrosivo de algunas de estas tecnologías, al obligar a emplear para la construcción de los equipos aleaciones costosas o materiales no metálicos, como cerámicas o recubrimientos con ladrillos de carbono. En el siguiente cuadro se resumen las tecnologías de hidrólisis ácidas: T e cn o l o g í a s d e h i d r ó l i s i s á c i d a Ácido sulfúrico Ácido hidroclórico Orgánica (Autohidrólisis) Concentrado – Etapa simple Concentrado – Fase líquida Vapor - Presión Diluido – Etapa simple Concentrado – Fase vapor Vapor - Presión mecánica Diluido/Concentrado – Dos Diluido etapas Diluido/Diluido – Dos etapas Tabla 1. Tecnologías de hidrólisis ácida (tomado de Lyons et al, 1995, 38)
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Por otra parte, los pretratamientos de hidrólisis enzimática tienen el objeto de romper la estructura cristalina de la lignocelulosa y separar la lignina, con el fin de permitir el acceso de los polisacáridos a las enzimas. Dependiendo de la materia prima, se pueden emplear pretratamientos químicos o físicos. Los pretratamientos químicos incluyen pre-hidrólisis ácidas (hidrólisis de los polisacáridos), empleo de bases como hidróxido de sodio o amoniaco (solubilizan parcialmente la lignina y cristalizan la celulosa) y empleo de solventes orgánicos u organosolv, como etanol, metanol, butanol, fenol y hexametilen-diamina (remoción de la lignina). Los pretratamientos físicos pueden usar altas presiones y temperaturas, molienda, radiación o congelamiento; por tal razón, tienen un alto consumo de energía y pueden resultar costosos. Pueden agruparse en pretratamientos de autohidrólisis (como las tecnologías de Dietrich y Stokes, entre otras) y mecánicos (molinos de atrición, molinos de rodillos, entre otros) P r e t r a t a m i e n t o s d e h i d r ó l i s i s e n zi m á t i c a Pretratam ientos químicos P r e t r a t a m i e n t o s f í s i co s Empleo de Pre-hidrólisis solventes Empleo de bases Autohidrólisis Mecánicos ácida orgánicos (organosolv) Ácido sulfúrico Hidróxido de Vapor – Presión Metanol Molino de atrición diluido sodio (Dietrich) Ácido Vapor – Presión hidroclórico Amoniaco Etanol mecánica Molino de rodillos diluido (Stokes) Molino triturador Explosión de Ácido acético Butanol de barras vapor (Iotech) vibratorio Ácido sulfúrico Hexametilenconcentrado Extrusor diamina (frío) Ácido hidroclórico Fenol concentrado (frío) Tabla 2. Opciones de pretratamiento de tecnología de hidrólisis enzimática (tomado de Lyons et al, 1995, 40)
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Despolimerización (hidrólisis) de la celulosa y hemicelulosa. En este paso se pretende obtener los azúcares fermentables, a través de tratamientos enzimáticos. Por lo general se utilizan celulasas, provenientes de diversos microorganismos (como el hongo Trichoderma viride y M. verrucaria, en menor escala (Quintero, 1981, 186)). Este proceso puede representarse en las siguientes ecuaciones (Sánchez y Cardona, 2005, 675): Hemicelulosa
pretratamiento ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
C 5 H 10 O5 Xilosa
(C 6 H 10 O5 ) 2 n
Celulosa
endoglucanasas y celobiohid rasas ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
+
C 6 H 12 O6
+
otros azúcares
Glu cos a
nC 12 H 22 O11 Celobiosa
α − glu cos idasa ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →
2nC 6 H 12 O6
Glu cos a
Un esquema de condiciones típicas de este paso se puede ver en el esquema de la parte inferior
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Fig. 11. Hidrólisis enzimática de la celulasa y condiciones típicas (tomado de Quintero, 1981, 187)
Sin embargo, las celulasas se inhiben considerablemente al presentarse glucosa y cadenas cortas de celulosa cuando se da inicio a la hidrólisis enzimática. Para evitar esto, se emplea la tecnología de sacarificación y fermentación simultáneas (Simultaneous Saccharification and Fermentation. SSF), con el fin de convertir en el menor tiempo posible en etanol la glucosa que se va generando como producto de la hidrólisis enzimática; la inhibición del etanol acumulado sobre las celulasas es comparativamente menor a la de la glucosa, resultando así en una buena estrategia para incrementar la velocidad global de celulosa en la conversión de etanol (Yin y Tanaka, 2006, 629) -
Fermentación de la mezcla de hexosas (i.e. glucosa) y pentosas (i.e. pentosa, xilosa). La celulosa, como el almidón, es un polímero lineal conformado por unidades de glucosa, y se diferencia de este último en su configuración estructural. La hemicelulosa, a diferencia de la celulosa, es un polímero ramificado, y está conformado por hexosas (azúcares de 6 carbonos) y pentosas (azúcares de 5 carbonos); su composición varía de acuerdo al tipo de planta del cual provenga (Badger, 2002, 18). Con esto, las levaduras no son muy efectivas en la producción de etanol a partir de materiales celulósicos, debido a su incapacidad de fermentar azúcares como la xilosa. Para ello, se ha encontrado que diversas cepas de bacterias Gram negativas modificadas genéticamente (Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, and Zymomonas mobilis) ha tenido buenos resultados (Dien et al., 2003, 258 - Yin y Tanaka, 2006, 630)
Un ejemplo de un proceso de producción de etanol a partir de materiales celulósicos se visualiza en la parte inferior
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Fig. 12. Producción de etanol a partir de madera usando hidrólisis ácida fuerte. (a) tolva de alimentación, (b) alimentador, (c) digestor, (d) recipiente de neutralización, (e) evaporadores de efecto múltiple, (f) secador, (g) membrana de electrodiálisis, (h) filtro, (i) fermentador, (j) despojador de dióxido de carbono, (k) fermentador de semillas, (l) centrífuga, (m) recipiente de lavado de levadura, (n) recipiente de compensación, (o) fondos, (p) columna de alcohol (tomado de Kosaric et al, 1987, 625)
Además de los procesos de fermentación, existe otra forma de obtener etanol a partir de materiales lignocelulósicos. Existe una tecnología totalmente termoquímica, que no utiliza microorganismos. En este proceso, los materiales lignocelulósicos son termoquímicamente gasificados, hasta transformarse en gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno); posteriormente, se provoca una reacción catalítica para transformar este gas en metanol, y luego, a través de sistemas catalíticos de reacciones de homologación, se convierte el metanol en etanol, adicionando más gas de síntesis a la reacción (Lyons et al, 1995, 41 – Badger, 2002, 20). Entre las ventajas que tiene esta tecnología, hay que destacar que la gasificación se realiza tanto sobre los polisacáridos (celulosa y hemicelulosa) como sobre la lignina, aprovechando, en la medida de lo termodinámicamente posible, todos componentes orgánicos para producir etanol. Entre los inconvenientes que tiene esta tecnología pueden mencionarse el alto consumo energético, así como la baja selectividad de los sistemas catalíticos desarrollados (Lyons et al, 1995, 41), los cuales arrojan una mezcla de alcoholes en la etapa de homologación; esto no es problemático si el producto se va a utilizar como combustible o mejorador del octanaje de gasolinas, pero lo es si se utiliza en la elaboración de alcohol industrial (ibidem) Otra tecnología combina procesos termoquímicos de obtención de gas de síntesis y posterior procesamiento de este intermedio por fermentación para obtener etanol. Este último paso presenta ventajas con respecto a la homologación catalítica de la tecnología anterior: condiciones de temperatura y presión suaves (menos consumo energético), especificidad mayor de las enzimas con respecto a los catalizadores inorgánicos, tolerancia de las enzimas a los gases de azufre, y no se necesita una relación CO/H2 determinada (van Kasteren et al, 2005, 13).
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Fig. 13. Matriz de proceso de etanol a partir de materiales lignocelulósicos (tomado de Lyons et al, 1995, 42)
Fe r m e n t a c i o n e s a e sc a l a i n d u s t r i a l Fundamentos
Las fermentaciones alcohólicas a escala industrial necesitan de ciertas condiciones especiales de manejo para que se lleven a cabo correctamente. 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 (Lyons et al, 1995, 89). Para ello, es necesario diseñar un sistema de enfriamiento que disipe ese calor generado, para evitar un sobrecalentamiento del fermentador Manejo de la temperatura de fermentación 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. 15
Por lo general, las fermentaciones realizadas a temperaturas por encima de la temperatura óptima comienzan más rápido, pero asimismo disminuyen prematuramente, no l legando 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. 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 (Lyons et al, 1995, 99), 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. 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 (Kosaric et al, 1987, 587) Concentración del sustrato Es preciso que haya concentraciones de sustrato (azúcares) iniciales apropiadas para que los microorganismos funciones adecuadamente. Estas concentraciones suelen ser satisfactorias entre 10% y 18%. Para una fermentación batch, concentraciones de azúcares entre 14% y 18% arrojaron concentraciones de etanol entre 6-9% (peso/volumen) (Kosaric et al, 1987, 602). Si las concentraciones de sustrato son muy altas, se presentan problemas de respiración en microorganismos como las levaduras, y la presión osmótica sobre sus paredes celulares es muy grande, disminuyendo su eficiencia en la fermentación. Si las concentraciones son muy bajas, la fermentación resulta antieconómica, por requerir mayores volúmenes. Control de pH El control del pH es muy importante en las fermentaciones alcohólicas, tanto para obtener una actividad enzimática óptima como para el control del crecimiento de microorganismos contaminantes. La levadura trabaja con un pH ácido, alrededor entre 4.4 y 5.0. Los pH muy altos favorecen el crecimiento de bacterias acidolácticas, y pH demasiado bajos inhiben el crecimiento de las levaduras. Microorganismos empleados Las fermentaciones alcohólicas son llevadas a cabo por microorganismos. Se han utilizado diversas clases de levaduras, bacterias y hongos en la obtención de etanol. Tradicionalmente, las levaduras son los microorganismos más empleados. Las levaduras son hongos unicelulares y uninucleados, que pueden reproducirse por gemación, fisión o ambas. Las levaduras son microorganismos tremendamente resilientes, siendo capaces de funcionar eficientemente en condiciones adversas. Pueden ser capaces de producir etanol a temperaturas de 35ºC, con niveles ligeros de contaminación y altos niveles de alcohol en el medio, la cual puede llegar hasta una concentración de 18% dentro del caldo de fermentación (Lin y Tanaka, 2006, 630). Asimismo, es considerada por la FDA como 16
GRAS (Generally Recognized As Safe), es decir, es un aditivo alimenticio seguro para consumo humano, siendo adecuada para producir bebidas alcohólicas y pan. Entre las especies de levadura más empleadas se encuentran: Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum (anterior S, carlsbergensis) y Candida utilis. En ocasiones se usan Saccharomyces anamensis y Schizosaccharomyces pombe. Las especies de Kluyveromyces, las cuales fermentan lactosa, son buenas productoras de etanol a partir de suero (Kosaric et al, 1987, 596)
Tabla 3. Habilidad de algunas especies Saccharomyces y Kluyveromyces para fermentar azúcares (tomado de tomado de Kosaric et al, 1987, 597)
La búsqueda de microorganismos adecuados para la conversión de biomasa en etanol ha conducido a los investigadores a probar con bacterias Gram negativas genéticamente modificadas, entre ellas Escherichia coli, Klebsiella oxytoca y Zymomonas mobilis (Dien et al, 2003, 258) Zymomonas mobilis es una bacteria muy atractiva, debido al alto rendimiento y productividad de etanol, dada su fisiología particular. Entre sus ventajas se encuentran (Lin y Tanaka, 2006, 630 – Dien et al, 2003, 261): - Tolera una elevada concentración de glucosa y fermenta a etanol a nivel mayor que las levaduras, especialmente en cultivo continuo en la que produce una elevada concentración de etanol. Tolera concentraciones de etanol de hasta 120 g/L - Genera una elevado nivel de etanol (5-10% más etanol por glucosa fermentada), pero bajo en biomasa en comparación con una levadura - Tiene una mayor productividad específica de etanol (2.5 ×) que Saccharomyces sp. - Se considera como GRAS, y tiene requerimientos nutricionales simples A pesar de sus bondades, Z. mobilis presenta algunas desventajas. Estas bacterias no son adecuadas para la conversión de todas las biomasas fermentables, debido que solo actúa sobre glucosa (donde alcanza las velocidades máximas de toma de azúcar y de producción de etanol), fructosa o sacarosa (Lin y Tanaka, 2006, 630). Sin embargo, ya se han obtenido cepas que sintetizan exitosamente xilosa y arabinosa (Dien et al, 2003, 261) Otra bacteria empleada en la obtención de etanol es la Escherichia coli modificada, cuya obtención fue una de las primeras aplicaciones exitosas de la ingeniería metabólica. Entre sus ventajas para la fermentación alcohólica se encuentran: - Actúa sobre un amplio espectro de azúcares - No tiene requerimientos para factores de crecimiento complejos 17
- Tiene un uso industrial anterior (como la producción de proteína recombinante) Las desventajas que posee consiste en su estrecho intervalo de pH de crecimiento (6.0-8.0), son cultivos menos resistentes comparados con las levaduras y tienen una percepción negativa por los riesgos de las cepas de E. coli sobre la salud humana (Lin y Tanaka, 2006, 630 – Dien et al, 2003, 259)
Tabla 4. Bacterias para la producción de etanol (tomado de Kosaric et al, 1987, 605)
Asimismo, se han hecho varias investigaciones sobre la viabilidad del empleo de hongos filamentosos en fermentaciones alcohólicas, entre ellos Monilia sp, Neurospora crassa, Neurospora sp., Zygosaccharomyces rouxii, Aspergillus sp., Trichoderma viride y Paecilomyces sp. Sin embargo, aún presentan muchas desventajas: tiempo de fermentación altos (3-12 días) con rendimientos muy bajos de etanol (0,8-60 g/L de etanol), así como la generación de varios subproductos, principalmente ácido acético y ácido láctico (Lin y Tanaka, 2006, 630) Aireación Es un factor muy importante, ya que contribuye considerablemente al adecuado crecimiento de los microorganismos. El oxígeno es especialmente necesario cuando se lleva a cabo una fermentación por lotes con altos niveles de azúcares que requieran un crecimiento prolongado de la levadura, o en procesos continuos, ya que la levadura es incapaz de crecer por más de cuatro o cinco generaciones en condiciones totalmente anaeróbicas (Kosaric et al, 1987, 603). Para ello, es necesario disponer de un sistema adecuado de agitación, de tal forma que haya un contacto permanente entre las células y el sustrato nutritivo; asimismo, es importante desalojar el dióxido de carbono que se va produciendo, ya que en concentraciones relativamente pequeñas inhibe el crecimiento celular. Las fermentaciones alcohólicas industriales se realizan a partir de cuatro tipos de operaciones: fermentaciones por lotes (batch), fermentaciones continuas, fermentaciones intermitentes (fed-batch) y fermentaciones semi-continuas Fe r m e n t a c i o n e s p o r l o t e s ( b a t c h )
Dentro de la clasificación de Gaden, las fermentaciones alcohólicas por lotes se clasifican dentro de los procesos tipo I, es decir, aquellos donde la formación del producto está directamente relacionada con la utilización del sustrato (Quintero, 1981, 40). Un reflejo de este comportamiento puede observarse en las gráficas de la parte inferior
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Fig. 14. Fermentación alcohólica. (a) Curvas tiempo-concentración, (b) tasas volumétricas, (c) tasas específicas (tomado de Quintero, 1981, 41)
En las gráficas puede observarse que las curvas de síntesis de etanol y consumo de sustrato (azúcar) tienen pendientes muy parecidas, especialmente en las gráficas (b) y (c), donde se superponen. Por otra parte, la gráfica (a) muestra las fases típicas de comportamiento en el crecimiento que presentan las levaduras durante las fermentaciones alcohólicas por lotes. La gráfica de abajo muestra de mejor forma esta tendencia
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Fig. 15. Crecimiento típico de la levadura en el caldo de fermentación (tomado de Lyons et al, 1995, 90)
Este crecimiento comprende tres fases: -
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-
Fase lag. En esta fase, el microorganismo, sometido a un crecimiento previo en un inóculo, se adapta a las condiciones del caldo de fermentación. Básicamente es un periodo de ajuste metabólico. El crecimiento es bajo, y prácticamente no se presenta producción de etanol. Debido a la transferencia del microorganismo del inóculo al nuevo medio, éste puede verse afectado por cambios en el pH, aumento en el suministro de nutrientes y descenso en los inhibidores de crecimiento Fase exponencial. Esta fase es la más importante para el proceso, ya que la mayor parte del etanol se produce en este periodo. Depende parcialmente de la concentración inicial del sustrato, y la cantidad de etanol a producir está condicionada por la duración de esta fase Fase estacionaria. En este punto se detiene el crecimiento, debido al agotamiento de los nutrientes en el caldo de fermentación, así como al efecto inhibidor que provoca la concentración de etanol en el medio. La masa de los microorganismos permanece constante en esta fase, por el equilibrio que se da entre los que permanecen vivos y los muertos Fase de muerte. Aquí se rompe el equilibrio entre los microorganismos vivos y muertos, y la población disminuye. Muchos procesos por lotes finalizan antes de alcanzar esta fase
Este comportamiento, junto con las condiciones especiales de manejo ya mencionadas, determina el manejo de la fermentación y del equipo a utilizar. En la fermentación por lotes, se cargan en el reactor el caldo de fermentación (sustrato) y una solución esterilizada previamente inoculada con los microorganismos. A lo largo de la fermentación suele añadirse algo de oxígeno (en forma de aire), agente antiespumante, ácidos o bases para controlar el pH, nutrientes (si se requieren) y antibióticos; asimismo se añade inóculo fresco si es necesario. La conversión de azúcares en un sistema por lotes simple es de 75-95% del valor teórico, con una concentración final de etanol de 10-16% en volumen. La productividad usual de procesos por lotes simples y convencionales es de 1.8-2.5 g de etanol por litro del volumen del fermentador por hora (Kosaric et al, 1987, 609)
Fig. 16. Producción de etanol por Kluyveromyces marxianus 10606. (a) Azúcar, (b) etanol, (c) biomasa (tomado de Kosaric et al, 1987, 609)
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El equipo empleado para realizar las fermentaciones son reactores llamados fermentadores. Ejemplos de dichos equipos se pueden ver en las figuras de la parte inferior
Fig. 17. Fermentador cilíndrico-cónico (tomado de Lyons et al, 1995, 93). C.I.P. significa clearing-in-place (limpieza in situ)
Usualmente, a escala industrial se diseñan fermentadores con capacidades que van de los 30000 galones hasta 500000 galones. El mejor material de fabricación es acero inoxidable, ya que es fácil de limpiar y esterilizar, además de una mejor resistencia a la corrosión y un tiempo de vida útil mayor. Como muestra la figura, se pueden emplear diversos sistemas de enfriamiento. El sistema más deseable es la chaqueta externa de enfriamiento, por razones microbiológicas. El sistema menos recomendable son los serpentines internos de enfriamiento, ya que su esterilización y limpieza es difícil, desde las boquillas de atomización de la parte superior. También se emplean intercambiadores de calor externos con recirculación, y se comparten a menudo con otros fermentadores; el principal inconveniente radica en la contaminación bacterial transversal, así como en su difícil limpieza (Lyons et al, 1995, 94) El sistema de agitación se requiere especialmente al inicio y al final de la fermentación. Se recomienda un buen diseño para obtener una mezcla y aireación adecuadas, así como para asegurar una temperatura uniforme a través del fermentador. El dióxido de carbono se expulsa a través de la boquilla de ventilación, para asegurar una presión adecuada y una aireación adecuada de los microorganismos. Se recomienda que el fermentador sea equipado con válvulas de alivio de presión y rompedores de vacío, para evitar accidentes serios. Con frecuencia se recoge el dióxido de carbono para su venta; sin embargo, previamente debe ser sometido a despojamiento para remover el alcohol que lleve (Lyons et al, 1995, 94)
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Las operaciones discontinuas para producir etanol son las más usadas a nivel global, y presentan muchas ventajas, entre ellas: -
Concentración más alta del producto final Abaratamiento del conjunto y sencillez en la construcción y en el mantenimiento de la planta Gran flexibilidad lograda al usar un birreactor para diversas especificaciones de producto
Sin embargo, presentan muchas desventajas, como la baja productividad, dificultad en automatizar, tiempos muertos largos y frecuentes, y costos altos en mano de obra (Kosaric et al, 1987, 609) Fe r m e n t a c i o n e s c o n t i n u a s
Este tipo de fermentaciones funcionan como sistemas abiertos. En el caso más simple, se introduce una cantidad constante de alimentación al biorreactor, que comprende el sustrato (azúcares), medio de cultivo, algunos nutrientes requeridos y oxígeno. Al mismo tiempo se remueve un flujo similar de producto, comprendido por etanol, células y azúcar residual, de tal forma que se alcanza un estado estacionario deseable dentro del sistema. Las células que se pierden en el flujo de salida deben balancearse con el crecimiento de microorganismo en el biorreactor.
Fig. 18. Reactor continuo de tanque agitado (tomado de Kosaric e t al, 1987, 610)
La productividad de los procesos continuos suele ser tres veces más alta que la de procesos por lotes, la cual puede encontrarse por encima del 6 g/L*h, con cepas altamente productivas; con esto, el volumen necesario del reactor necesario para producir la misma cantidad de etanol que en un proceso por lotes es de un tercio. La inhibición por etanol limita la productividad específica de alcohol y la productividad total; esta última también esta limitada por la baja concentración de biomasa. Esto puede verse en la gráfica de la parte inferior.
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Fig. 19. Efecto de la concentración de glucosa sobre fermentaciones continuas. (a) Productividad específica, (b) productividad del fermentador, (c) masa de células (tomado de Kosaric et al, 1987, 610)
Dentro de los sistemas continuos, el sistema de cascada, o de reactores en serie, es que ha tenido mayor éxito (Lyons et al, 1995, 96). A continuación se muestra un esquema
Fig. 20. Sistema en cascada de dos fermentadores agitados y continuos (tomado de Lyons et al, 1995, 96)
Los procesos continuos presentan grandes ventajas comparados con los procesos por lotes: costos menores del biorreactor (debido en parte a los volúmenes de fermentación menores), requerimientos menores de mantenimiento y operación, control mejorado del proceso y mayor productividad. Estas ventajas se fundamentan en las mayores densidades celulares, las cuales pueden lograrse por recuperación y reciclaje de biomasa, inmovilización de células o control del crecimiento celular (Sánchez y Cardona (a), 2005, 673) Con respecto a la recuperación y reciclaje de biomasa, se han alcanzado productividades de etanol en los fermentadores de 30-51 g/L*h, diez veces más que fermentaciones continuas sin reciclaje de biomasa (Kosaric et al, 1987, 610). En el reciclaje de biomasa, ésta se somete a centrifugación y lavado. Para el lavado de levaduras, se puede utilizar ácido fosfórico a un pH de 2.2-2.4, manteniéndolas así por 90 23
minutos; también se ha encontrado que el dióxido de cloro a 40-50 ppm puede ser una alternativa viable (Lyons et al, 1995, 96) La desventaja de este método son los altos costos de operación y mantenimiento de los equipos de centrifugación. Por ello, se han propuesto sistemas de separación alternos, como decantadores de tubo o de placas, o separadores de remolino (Kosaric et al, 1995, 610-611) La inmovilización de células es otra técnica para alcanzar altas densidades celulares, y básicamente es la concentración de los microorganismos en una matriz, la cual se coloca y se fija al interior del biorreactor. La inmovilización se puede lograr de diversas formas: encapsulamiento en una matriz gelatinosa (en alginato de calcio o carragenato), enlaces covalentes a superficies de diversos materiales de soporte, o adsorción sobre un soporte, entre otros. En el caso de levaduras encapsuladas en perlas de alginato de calcio, se han logrado productividades máximas de etanol de 53.8 g/L, con una tasa de dilución de 4.6 h -1 y una concentración inicial de glucosa de 127 g/L (Kosaric et al, 1987, 614). Para levaduras inmovilizadas en carragenato, se han dado velocidades de producción de etanol de 43 g/L*h, a una tasa de dilución de 1.0 h -1, con una utilización de azúcar del 86% a partir de una fuente de alimentación que contiene 100 g/L de glucosa (ibidem).
Tabla 5. Productividad de etanol a partir de sistemas inmovilizados (tomado de Kosaric et al, 1987, 615)
Las desventajas que presentan los sistemas inmovilizados radican en una limitación de difusividad causada por la matriz gelatinosa, la cual provoca un gradiente de sustrato y producto dentro de las perlas. Por eso, es necesario operar estos sistemas a temperaturas más bajas, para minimizar la inhibición y maximizar la producción de etanol (ibidem) Además de los biorreactores convencionales, existen otros equipos para fermentación continua de etanol. Sin embargo, ninguno de estos sistemas ha sido usado de forma extensa para la producción comercial de etanol (Lyons et al, 1995, 97), y muchos de ellos aún presentan importantes inconvenientes técnicos y operativos. Entre los más importantes se tienen: Torre continua La torre continua es un cilindro vertical con un fondo cónico en la parte inferior y una zona de asentamiento de biomasa en la parte superior
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Fig. 21. Fermentador de torre continua (tomado de Lyons et al, 1995, 98)
Este reactor no tiene ningún sistema de agitación mecánica, y se pueden alcanzar concentraciones celulares de hasta 100 g/L, sin ayuda de equipo auxiliar de separación. Comparado con los procesos discontinuos, las productividades son de 30 a 80 veces más altas; asimismo, pueden alcanzarse eficiencias de conversión de 95% del valor teórico. La principal desventaja de estos equipos es la gran cantidad de tiempo (2 semanas) requerida para su arranque (Kosaric et al, 1987, 612) Biorreactores de membrana y rotofermentadores En este tipo de fermentadores se logra alcanzar una gran concentración celular. El reactor está dividido en un par de cámaras, separadas por una membrana de diálisis que evita el escape de biomasa y permite la transferencia de nutrientes. Un esquema de este fermentador se puede apreciar en la figura de abajo
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Fig. 22. Fermentador de diálisis a presión. (a) Zona de recuperación de producto de baja presión, (b) zona de fermentación de alta presión, (c) membrana de diálisis permeable (d) bomba de alimentación de alta presión, (e) válvula reguladora de presión (tomado de Kosaric et al, 1987, 612)
Un inconveniente de este reactor es el ensuciamiento de la membrana con las proteínas, lo que puede causar una ruptura en las células y una alteración del flujo. Una forma de solucionar esto es reemplazando la membrana fija por un cilindro membranoso microporoso rotatorio, o rotofermentador. Este dispositivo permite el la remoción continua de productos metabólicos (incluido etanol) del caldo de fermentación pro medio de filtración a través de la membrana rotatoria, con una presión de 115-170 kPa. Un esquema de este equipo puede verse en la parte inferior
Fig. 23. Diagrama de un rotofermentador. (a) Rotor, (b) cámara de filtración, (c) fermentador, (d) membrana microporosa rotatoria, (e) crecimiento de células concentradas, (f) motor de impulsión, (g) bomba de reciclo, (h) separador gas-líquido (tomado de Kosaric et al, 1987, 613)
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En un rotofermentador, se alcanzan velocidades de producción de etanol de 26.8 g/L*h, a concentraciones de biomasa de levadura y etanol de 24.8 y 50.4 g/L respectivamente. Desafortunadamente, este tipo de reactores presenta graves inconvenientes mecánicos y operativos, relacionados con la complejidad del sistema y la durabilidad de algunas partes (membrana y sellos) (Kosaric et al, 1987, 613) Fe r m e n t a c i o n e s p o r l o t e s a li m e n t a d o s ( f e d - b a t c h )
Este modo es una forma de mejora de las fermentaciones discontinuas. Aquí, los sustratos se añaden de forma escalonada al biorreactor, en intervalos particulares de tiempo; al final, como en los procesos por lotes, se retira el producto solamente al final del tiempo de fermentación. Un diagrama de producción fedbatch de etanol a partir de maíz se puede visualizar en la parte inferior.
Fig. 24. Fermentación por lotes alimentados (fed-batch) repetida asociada con el reciclaje completo de sobrenadantes usados (tomado de Lu et al, 2003, 1821)
En las fermentaciones por lotes alimentados las concentraciones de sustrato son bajas a lo largo del proceso, a medida que aumenta la concentración de etanol. El control de la alimentación representa una ventaja, ya que se neutraliza el efecto inhibidor que tienen las altas concentraciones de sustrato y etanol sobre los microorganismos. Asimismo, se ha observado que las adiciones de sacarosa en forma lineal o exponencialmente decreciente han llevado a aumentos en la productividad de etanol en un 10 a 14 % (Echegaray et al, 2000, 39-40; Sánchez y Cardona (a), 2005, 673)
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Fig. 25. Variación contra el tiempo de las concentraciones de etanol (triángulos) y biomasa (cuadrados) (tomado de Echegaray et al, 2000, 43)
Procesos de separación
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. Destilación
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 (Lyons et al, 1995, 103) La figura de abajo muestra un equipo típico de destilación fraccionada a nivel industrial
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Fig. 26. Relaciones típicas en destilación (tomado de Lyons et al, 1995, 105)
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 agua-etanol 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 constant molal overflow, 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 29
aproximadamente igual a la energía para condensar o evaporar cualquier mezcla etanol-agua (Lyons et al, 1995, 105-106).
Fig. 27. Mezclas etanol-agua en equilibrio líquido-vapor. Estructura de la estrategia del sistema de destilación (tomado de Lyons et al, 1995, 108)
Como se ve en la figura de arriba, la información presentada gráfica de las composiciones molares líquidovapor 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.
Fig. 28. Diagrama de punto de ebullición de mezclas etanol-agua. (a) Azeótropo (tomado de Kosaric et al, 1987, 632)
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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. D e st i l a c ió n e x t r a c t i v a
La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar. (Uyazán et al, 2006, 46); asimismo, el solvente tiene un punto de ebullición alto y generalmente no es volátil. Un esquema completo del proceso de destilación extractiva se presenta en la figura de abajo
Fig. 29. Diagrama esquemático de la destilación extractiva con glicerol (tomado de Uyazán et al, 2006, 46)
Un aspecto fundamental en la destilación extractiva es la elección del solvente. Entre los aspectos que hay que tener en cuenta se incluye: su capacidad para alterar de forma significativa las volatilidades relativas de los componentes a separar, su economía (cantidad a utilizar, costos y disponibilidad), debe tener facilidad para separarse de los fondos de la columna, no debe reaccionar químicamente con los productos de la mezcla, no debe causar corrosión en los equipos, entre otros. Se han evaluado diversos solventes para ello, y se cuentan entre ellos glicoles, aminas, fenoles hidrofóbicos, parafinas, tiofenos, glicerol, entre otros (Uyazán et al, 2006, 46) Destilación azeotrópica
La destilación azeotrópica consiste en la adición de un tercer componente a la mezcla etanol-agua. En la parte inferior se muestra un esquema
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Fig. 30. Producción de etanol anhidro por destilación azeotrópica. (a) Columna de deshidratación, (b) decantador, (c) condensador, (d) enfriador, (e) columna de despojamiento de hidrocarburos, (f) tanque de arrastre (tomado de Kosaric et al, 1987, 634)
La columna de deshidratación es alimentada con una corriente de etanol al 95%, cerca del punto medio; en la zona de rectificación de la columna se añade un agente de arrastre (benceno, hexano, ciclohexano, tolueno, n-pentano, entre otros). En los fondos sale etanol prácticamente puro (99.98% vol), que contiene menos de 200 mg/kg de agua y menos de 20 mg/kg de otras impurezas (Kosaric et al, 1987, 634). El agua se remueve del etanol en forma de un azeótropo terciario que sale como producto de cabeza, el cual se condensa y lleva a un separador en donde la fracción rica en agua se alimenta a una pequeña columna de lavado (columna de despojamiento de hidrocarburos) para la regeneración del arrastrador, mientras la otra fracción se recircula como reflujo a la parte superior de la columna azeotrópica (Sánchez y Cardona (b), 2005, 680) Una gran desventaja de los métodos que involucran destilación son sus altos costos energéticos. La destilación representa cerca del 70-85% de la energía utilizada en la producción de etanol (Jorapur y Rajvanshi, 1991, 1), y los sistemas comerciales de destilación azeotrópica tienen un consumo de energía térmica de 17000 BTU por galón (Lyons et al, 1995, 234). Esto ha motivado la consideración de tecnologías alternativas que reduzcan la cantidad de energía necesaria para llevar a cabo la separación de etanol azeotrópico. Tamices moleculares
La tecnología que más desarrollo ha tenido en la industria de alcohol carburante y que ha venido reemplazando a la destilación azeotrópica ha sido la adsorción de agua con tamices moleculares (Sánchez y Cardona (b), 2005, 680). Los poros de los tamices moleculares son permeables al agua, pero no al etanol, ya que las moléculas de agua son poseen un diámetro menor a los caminos intersticiales de los tamices. Estos tamices tienen un tamaño promedio de 3Å (3*10-8 cm) y tienen la capacidad de realizar separaciones de mezclas etanol-agua en fase líquida o fase vapor (Lyons et al, 1995, 234) Los tamices moleculares son materiales granulados y rígidos, en forma esférica o cilíndrica. Para elaborarlos se emplean aluminosilicatos de potasio, así como zeolitas o resinas (Lyons et al, 1995, 234 – Kosaric et al, 1987, 638)
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Fig. 31. Destilación y deshidratación de etanol grado combustible de motor (MFGE) por medio de tecnología PSA (pressure-swing adsorption) (tomado de Lyons et al, 1995, 233)
En el esquema de la parte superior se muestra un sistema de destilación en cascada integrado con un par de lechos de tamices moleculares. Este tipo de sistemas ha permitido superar el alto costo de mantenimiento del compresor de vapor usado para producir vapor de alimentación presurizado desde los rectificadores de presión atmosférica (Lyons et al, 1995, 234) Pervaporación
La pervaporación es una separación a partir de un número de membranas semipermeables selectivas bajo un gradiente de presión. Las membranas se fabrican de resinas de alcoholes polivinílicos, aunque también se han probado membranas de silicalita recubiertas con cauchos de silicona (Ikemagi et al, 2003) El principio de operación de las membranas se basa en su alta selectividad al favorecer el paso de agua a través de ellas, así como un alto poder de retención para varios solventes orgánicos, incluido el etanol (Sánchez y Cardona (b), 2005, 680) En la parte inferior se puede visualizar un esquema del proceso
Fig. 32. Producción de etanol anhidro por pervaporación. (a) Bomba, (b) calentador, (c) pervaporador, (d) condensador, (e) bomba de vacío (tomado de Kosaric et al, 1987, 638)
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El etanol al 94% se precalienta a 60ºC y se bombea hacia la el pervaporador. El agua se transfiere a través de las membranas, conformando el permeado, mientras que el etanol se concentra en el retenido. Se da un cambio de fase desde la fase líquida en la entrada de la membrana, dándose una fase vapor en el permeado; el agua se separa del etanol sin formación de azeótropo, y este último sale con una concentración del 99,9% en volumen. Para mantener la fuerza impulsora del flujo de agua hacia el permeado, se aplica vacío de menos de 1 kPa en la entrada de condensador del permeado. El consumo de energía total es la suma de las entalpías de evaporación y condensación (Kosaric et al, 1987, 638) La pervaporación ofrece varias ventajas con respecto a la destilación azeotrópica o extractiva. Son unidades compactas, que no requieren mucho espacio, comparado con las altas torres de destilación; asimismo, el producto final no posee trazas de agente arrastrador o de solvente (Sánchez y Cardona (b), 2005, 680) Ex t r a c c i ó n c o n f l u i d o s su p e r c r í t i c o s
La extracción con fluidos supercríticos parece ser una técnica prometedora para la separación de etanol azeotrópico. Básicamente, se basa en la gran capacidad de solubilización de un fluido a condiciones de temperatura y presión superiores a la de su punto crítico líquido-vapor ( Sánchez y Cardona (b), 2005, 680), donde la distinción entre gas y líquido desaparece (Kosaric et al, 1987, 638). En la parte inferior se muestra un diagrama esquemático de un dispositivo experimental con CO 2
Fig. 33. Diagrama esquemático de un dispositivo experimental para extracción supercrítica con CO2. (PG) Medidor de presión, (TC) controlador de temperatura, (HT) cinta de calor, (MV) válvula de medición, (SV) válvula de parada, (CV) válvula de cheque, (RD) disco de ruptura, (P) bomba de HPLC. (1) Sistema de almacenamiento de CO2, (2) secador, (3) filtro, (4) bomba de HPLC, (5) unidad de enfriamiento, (6) extractor, (7) unidad de recolección del extracto, (8) baño de agua y hielo (tomado de Güvenç et al, 1999, 287)
El etanol se extrae selectivamente con CO2 cercano a su punto crítico (7.3 MPa y 31 ºC). Luego, la corriente rica en etanol se somete a una presión menor para remover el CO2 en la fase líquida (Kosaric et al, 1987, 638). Una gran ventaja de esta técnica son sus costos. Algunos autores han investigado los costos para diversos procesos de recuperación de etanol, y encontraron que los costos energéticos para recuperar etanol por medio de destilación convencional de dos columnas, destilación convencional y azeotrópica y extracción de fluido supercrítico con CO2 fueron de 4730 kJ/L, 8100 kJ/L y 2500 kJ/L respectivamente (Güvenç et al, 1999, 285-286). Otra ventaja es que el dióxido de carbono usado como fluido supercrítico puede obtenerse como un subproducto de bajo costo de la fermentación (Kosaric et al, 1987, 638) 34
R e si d u o s d e l a i n d u s t r i a d e l e t a n o l
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, así como altos valores de DBO 2 (30000 a 60000 mg/L) y DQO (100000 g/L); una destilería típica puede producir cerca de 20 L de vinazas por cada L de etanol producido ( Sánchez y Cardona (b), 2005, 681 – Mirsepasi et al, 2006, 79). Además, estos residuos poseen un gran contenido de sales (con predominio de iones K, Ca y SO4) y un pH bajo (3.5-4.5) 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
Fig. 34. Sistema multiproducto integrado para la recuperación de recursos de subproductos y residuos del procesamiento del azúcar (tomado de Olguín et al, 1995, 91). Stillage son las vinazas.
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DBO es la demanda bioquímica de oxígeno, la cual es una medida de la cantidad de la cantidad de oxígeno necesaria para degradar la materia orgánica presente en un efluente por medios bioquímicos. DQO es la demanda química de oxígeno, y equivale a la cantidad de oxígeno necesario para degradar toda la materia orgánica presente en un efluente por medios químicos
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Tabla 6. Resumen de los usos de la vinaza (tomado de García y Rojas, 2006, 8)
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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 (Olguín et al, 1995, 90) 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 (Goyes y Bolaños, 2005, 2). Sin embargo, según lo reportado por algunos autores, se obtienen productos de buena calidad; al usar bacterias nitrificadoras como Nitrosococus oceanus, se produce una desintoxicación de las vinazas que las hace muy adecuadas para los cultivos de arroz (Olguín et al, 1995, 90) Digestión anaerobia La digestión anaerobia es un tratamiento biológico en donde se reducen los valores de DQO y DBO 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 (Fang, 1997, 2426) El equipo más comúnmente empleado es el reactor anaeróbico de manto de flujos de lodo ascendente, o reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
Fig. 35. Reactor IHI-UASB (tomado de http://www.gec.jp/JSIM_DATA/WATER/WATER_1/html/Doc_191.html)
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El amplio uso de los sistemas UASB se debe a su alta velocidad de tratamiento anaerobio de efluentes industriales (Pant y Adholeya, 2007, 2323). Se han reportado estudios de reducciones de DQO de 97% para vinazas de maíz y de 94% para vinazas de caña de azúcar (Nguyen, 2003, 368). Sin embargo, existen otros equipos para realizar digestiones anaerobias
Tabla 7. Métodos anaerobios empleados para el tratamiento de efluentes de destilerías (tomado de Pant y Adholeya, 2007, 2324)
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 (Nguyen, 2003, 369). 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% (Olguín et al, 1995, 90 - Nguyen, 2003, 369 - Sánchez y Cardona (b), 2005, 681). 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 ( Nguyen, 2003, 369 – Goyes y Bolaños, 2005, 3). Estas cenizas tienen altos contenidos en potasio (30-40% K 2O y 2-3% P 2O5), 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 m 3 de vinaza incinerada, y contiene 16% de cloruro de potasio y 7% de carbonato de potasio (Nguyen, 2003, 369) 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 (Goyes y Bolaños, 2005, 3) 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 (Goto et al, 1999, 1863). Asimismo, se venido estudiando en la Universidad del Valle (Cali, Colombia) como método alternativo de tratamiento de vinazas (Goyes y Bolaños, 2005) 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) (Goto et al, 1999, 1863)
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Fig. 36. Gráfica semilog de curvas de reducción de TOC (carbono orgánico total) para la descomposición de aguas residuales provenientes de destilerias (tomado de Goto et al, 1999, 1864)
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 (Goyes y Bolaños, 2005, 10). Aún se presentan problemas operativos, que incluyen control de la corrosión (por la formación de ácidos minerales como HCl, H2SO4 y H2PO3 durante el proceso) y la precipitación de sales inorgánicas debido a las condiciones supercríticas (Goyes y Bolaños, 2005, 4, 5, 10), lo que sugiere que es necesario seguir realizando investigaciones para un empleo más difundido de esta tecnología.
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