Obtención de Etanol

 

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Generalidades

El etanol es un alcohol que se puede consumir como bebida alcohólica, como antiséptico, como insumo químico, como combustible alterno o de reemplazo a la gasolina entre otros usos. Se ubica dentro del grupo de los Biocombustibles y es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa, de organismos recientemente vivos o de sus desechos metabólicos, tales como el estiércol de la vaca.

La gran demanda de alcohol que se presenta actualmente ocasiona, como respuesta de la industria, una elevada producción con la subsecuente generación de residuos como la vinaza, a la cual es necesario prestarle la importancia que se merece, como potencial contaminante o fuente de subproductos si así se desea.

Como respuesta a la crítica situación ambiental mundial, a la paulatina disminución de los combustibles fósiles y a la posibilidad en el país de desarrollar energías alternativas a partir de recursos renovables, el gobierno determinó expedir la Ley 693 de 2001, donde se reglamenta la adición de etanol anhidro a las gasolinas en un 10% a partir de 2006, lo cual crea la necesidad de aumentar la producción de este alcohol, hasta niveles iniciales de 750 millones de litros / año, con una generación aproximada de 150.000 empleos directos e indirectos (Programa de Alcoholes Carburantes).

Como fuentes agrícolas para la obtención del etanol se tienen las azucaradas (caña de azúcar, remolacha), las almidonáceas (cebada, banano, yuca), las lignocelulósicas (madera, algodón), cuyas características fisicoquímicas llevan a diferencias en la adecuación para un posterior tratamiento común en los tres casos

Descripción del producto

El etanol, o alcohol etílico, es un alcohol líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 °C. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica con un contenido de aproximadamente el 96 % de etanol, su fórmula química es CH3-CH2-OH, principal producto de las bebidas alcohólicas.

El alcohol es un líquido incoloro y volátil que está presente en diversas bebidas fermentadas. Desde la antigüedad se obtenía el etanol por fermentación anaeróbica de una disolución con contenido en azúcares con levadura y posterior destilación.

A continuación se mencionan algunas de sus propiedades:

Tabla 2-11 Propiedades del Etanol


Propiedades físicas y químicas de materias primas
El jugo de caña
El jugo después del proceso de molienda presenta la siguiente composición, tal como se muestra en la tabla 2-12:
Tabla 2-12 Composición del Jugo

La Levadura – Saccharomyces cereviseae

Las levaduras son hongos unicelulares, esta especie en particular tiene forma esférica y color beige, se encuentran en muchos hábitats y se reproducen por gemación, son las encargadas de transformar los azúcares de en alcohol, para ser utilizadas deben activarse a partir de su estado liofilizado, resuspendiéndose en medios ricos en nutrientes, después de esto se deben propagar en medios adecuados y tras repique sucesivos, hasta lograr una densidad celular cercana a los 50 millones de células por mililitro en el inóculo y con un volumen que debe constituir del 10 – 15% del caldo de fermentación.

Nutrientes

Los nutrientes son útiles para que la levadura desempeñe mejor su labor metabólica, estos son principalmente sales como: Fosfato Acido de Potasio (K2HPO4), Sulfato de Magnésio (MgSO4), Sulfato de Amonio ((NH4)2SO4).

Diagrama de flujo



Descripción de las etapas

Sección de molienda

La caña preparada por las picadoras llega a los molinos y mediante presión se extrae el jugo que se recolecta en tanques. En el recorrido de la caña por el molino, se le agrega agua para diluir los jugos y maximizar la extracción de la sacarosa que contiene el material fibroso que pasa a través de todas las unidades que componen dicho molino.

Un proceso de molienda logra recuperar cerca del 95% del azúcar presente en la caña, el bagazo final contiene el azúcar no extraído, la fibra leñosa y del 45 a 55% de agua.

Sección de clarificación y preparación del jugo

En esta etapa se recibe y almacena el jugo de caña, que alimenta la planta. El jugo proveniente de la sección de almacenamiento, se alcaliniza con cal hasta pH entre 6.8 y 7.2%, luego se precalienta para facilitar su paso por el regulador de densidad y evitar al mismo tiempo la formación de microorganismos, posteriormente se añade un floculante, con el fin de favorecer la precipitación los
sólidos suspendidos y algunas sustancias como sales de cal y material protéico, que son nocivos en la fermentación y aumentan los problemas de incrustaciones en la destilación. El jugo pasa por un filtro para retener las partículas más gruesas antes mencionadas, antes de pasar al recipiente de acidificación donde se adiciona ácido sulfúrico para mantener el pH entre 4.0 y 5.0. Este jugo clarificado se esteriliza calentándolo a 110°C por un tiempo de 10 minutos; se enfría en un intercambiador por contacto con agua hasta 33°C que es la temperatura apropiada para pasar a la

sección de fermentación.

En esta etapa por cada 100 Kg de jugo que entran al proceso se produce 0.22 Kg de cachaza, 0.04 Kg de torta y un jugo filtrado con 18ºBx.

Sección de fermentación

En los procesos en los que no se desea recuperar azúcar, el jugo pasa directamente a fermentación, en los otros casos el jugo clarificado pasa a la etapa de evaporación donde se obtiene azúcar A, B, y C de acuerdo al grado de pureza y melazas o mieles dependiendo del punto final de evaporación.

En la fermentación, por acción biológica de la levadura, se da la transformación de los azúcares fermentables contenidos en el jugo, en alcohol etílico y gas carbónico. El proceso puede ser por lotes o continuo, se prefiere presentar este último debido a que es más eficiente.

El jugo proveniente de la etapa anterior es mezclado, en el paso hacia la fermentación, con la levadura proveniente del sistema de recuperación de levadura y luego se transfiere secuencialmente a través de los fermentadores. El proceso fermentativo ocurre entre 12-16 horas, las condiciones de operación normal se fijan para producir alcohol de 8°GL. El calor de fermentación se elimina circulando el jugo externamente a través de intercambiadores de placas.

El mosto fermentado se hace pasar por una centrífuga que tiene como objetivo separar la levadura y enviarla al tanque de tratamiento ácido en donde el pH es ajustado entre 2.6-3.0, después del cual se recircula directamente a los fermentadores. El gas carbónico procedente de los fermentadores puede recuperarse como subproducto.

La masa fermentada sigue desde las centrífugas hasta un tanque, de allí se bombea a la destilación.
Sección de destilación y deshidratación de alcohol

El mosto fermentado obtenido con 8% de etanol en peso es bombeado hacia las columnas de destilación, pero antes se hace pasar a través de una serie de intercambiadores para llevarlo hasta 93°C. Esta mezcla entra a la primera columna, donde el etanol es removido de las sustancias que no fermentaron y del agua, estos líquidos y sólidos residuales conocidos como vinaza, salen por el fondo de la columna y se bombean al sistema de tratamiento.

El etanol y vapor de agua dejan la parte superior de la columna con un 75% en peso y entran a la columna rectificadora.

En la rectificadora el alcohol es llevado a su punto azeotrópico (96%v) y abandona la torre por la parte superior, como vapor saturado, para entrar a la sección de deshidratación. Desde la base de la columna rectificadora se extrae la flemaza restante, no recuperada en la columna anterior, y es enviada a la planta de tratamiento de aguas.

Si se quiere puede tomarse este alcohol, desnaturalizarse y almacenarse para comercializarlo como alcohol azeotrópico, o si se desea obtener alcohol anhidro con fines carburantes se procede a una deshidratación, para lograr concentraciones superiores a 99.5%

La deshidratación se puede realizar por un proceso de adsorción sobre un tamiz molecular, o por una destilación extractiva, entre otras opciones. El etanol anhidro resultante se condensa por intercambio de calor con agua y posteriormente se acondiciona para el almacenamiento, luego de realizada la desnaturalización para cumplir con las disposiciones legales, Decreto 492 de 1983 para alcohol extraneutro o Ley 693 de 2001 para alcohol carburante.

Principales aplicaciones

Además de consumirse como bebida alcohólica, el etanol se utiliza ampliamente en muchos sectores industriales y en el sector farmacéutico, como principio activo de algunos medicamentos y cosméticos (es el caso de el alcohol antiséptico 70º GL y en la elaboración de ambientadores y perfumes). Es un buen disolvente, puede utilizarse como anticongelante.

Se emplea como combustible industrial y doméstico, contiene compuestos como la piridina o el metanol, que impiden su uso como alimento, ya que el alcohol para consumo suele llevar impuestos especiales. En algunos países, en vez de etanol se utiliza metanol como alcohol para quemar.

En Brasil se añade etanol a la gasolina para bajar la importación de petróleo, dando lugar a la alconafta. Este país es uno de los principales productores (con 18 mil millones de litros anuales), con esto reducen un 40 % de sus importaciones de crudo. Esta última aplicación se extiende también cada vez más en otros países para cumplir con el protocolo de Kyoto. Estudios del Departamento de Energía de USA dicen que el uso en automóviles reduce la producción de gases de invernadero en un 85%. En países como México existe la política del ejecutivo federal de apoyar los proyectos para la producción integral de etanol y reducir la importación de gasolinas que ya alcanza el 60 %.

La industria química lo utiliza como compuesto de partida en la síntesis de diversos productos, como el acetato de etilo (un disolvente para pegamentos, pinturas, etc.), el éter dietílico, etc. También se aprovechan sus propiedades desinfectantes.

Tratamiento de residuos

Los residuos de la producción de etanol son principalmente, levadura que ha perdido actividad, la cual se utiliza para la producción de proteína unicelular por acción microbiana y el principal de los residuos es la vinaza, que contrario a lo que muchas veces se afirma, no debería verse como un residuo, sino como un subproducto con gran potencial de aprovechamiento, en virtud de sus características fisicoquímicas, que varían bastante de acuerdo a las condiciones del cultivo de la caña, al uso parcial o total de melaza, como fuente de azúcares. Algunas de las alternativas para el tratamiento de la vinaza pueden ser:

• Aplicación directa como abono en el cultivo de la caña de azúcar

Gracias a su alto contenido en materia orgánica y minerales.

• Tratamientos anaerobios

Aquí se aprovecha la materia orgánica de la vinaza para la producción de metano.

• Reactores Biológicos Rotatorios.

Remueve parcialmente la DQO, en un 50%.

• Concentración-incineración

La vinaza concentrada al 60%, se comercializa, como materia prima para la producción de concentrados y abonos. Con la incineración se obtienen cenizas ricas en nitrógeno, carbono y potasio.

• Lagunas de Estabilización

El principio que se aplica en este caso es el de autodepuración natural.

• Producción de proteína unicelular

Se aprovecha la levadura que permanece en la vinaza, para someterla a la acción de diferentes levaduras en condiciones aerobias, para producir proteína unicelular.

• Recirculación de la Vinaza

Sustitución de parte del agua de dilución de la melaza, por vinaza, no es aplicable en el caso de utilizar el jugo de caña, como fuente de carbono.