Bioetanol a partir de Maiz

1.1Introduccin introduccin De combustible de etanol se ha convertido en una parte muy importante los productos agrcolas en los ltimos dos dcadas. En 2005, ms del 13% de los EE.UU. la produccin de maz se fue hacia la fabricacin de este aditivo de combustible / combustible de extensin, lo que disminuye EE.UU. dependencia de las importaciones petroleras extranjeras, es ms limpio para el medio ambiente, y tiene impacto sustancial en la economa rural la agricultura y la produccin. Combustible de Etanol El etanol es un alcohol producido por la levadura a partir de azcares. Es el mismo alcohol producido por la levadura en la cerveza, el vino y las bebidas blancas. De etanol combustible es el etanol que ha sido altamente concentrado para eliminar el agua y mezclado con otros compuestos para rendir el alcohol no potable. De combustible de etanol puede se utiliza solo como un combustible, tal como en Indy Coches de Racing League, o puede ser mezcladocon la gasolina y se utiliza como combustible. Todos los coches y camiones en la carretera hoy en da pueden utilizar gasolina / etanol mezclas de hasta un 10% etanol (90% de gasolina), tambin llamado "E10". Las mezclas de etanol hasta 85%, tambin conocidos como "E85", se puede utilizar como medio de transporte de combustible en automviles y camiones con ligeras modificaciones (aproximadamente $ 100 por vehculo). Estos vehculos de combustible flexible pueden utilizar mezclas de gasolina o etanol E85, entre ellos.

La levadura de papel en la produccin de etanol Toda la produccin de etanol se basa la actividad de la levadura (Saccharomyces Saccharomyces), un microorganismo importante para los seres humanos. A travs de un proceso llamado "Fermentacin", levadura de comer azcares simples y producen dixido de carbono (CO2) y etanol como productos de desecho. Para cada kg de azcares simples, la levadura puede producir aproximadamente 225 gr. (0,15 litros) de etanol y una cantidad equivalente de dixido de carbono. El maz, como materia prima del etanol En 2005, aproximadamente 387,64 millones de litros de alcohol de maz fueron producidos en el Indiana EE.UU. La produccin de etanol en los EE.UU. lleg a 16 mil millones de litros en 2005 (NCGA,2005). Esto representa la tercera mayor demanda de maz de EE.UU. despus de la alimentacin animal y mercados de exportacin. Con la construccin adicional de las plantas de etanol y el aumento de la demanda de etanol, la produccin de etanol se espera que supere los 29 millones de litros antes del ao 2012 objetivo establecido en la Poltica Energtica Materia Prima El valor de maz como materia prima para la produccin de etanol es debido a la gran cantidad de hidratos de carbono, especficamente almidn, presente en el maz (Tabla 1). El almidn puede ser procesado fcilmente lugar a descomponerla en azcares simples, que pueden ser alimenta a la levadura para producir etanol. La produccin de etanol Moderno puede producir aproximadamente 2,7 litros de combustible de etanol por 8 Kg de maz. 2.3 Proceso a partir de maz En la figura 3 se muestra el esquema seguido para la descripcin del proceso a partir de maz. 2.3.1 Acondicionamiento El acondicionamiento del grano consiste inicialmente de una molienda hasta un tamao de 3 a 5 mm, posteriormente, se retiran algunas impurezas (polvos y arenas, principalmente). Al grano molido se le debe agregar agua caliente con el fin de obtener una mezcla con no ms de un 40% en slidos, apta para la licuefaccin. La mezcla obtenida es enviada a una etapa de prelicuefaccin en la cual se logra transformar una parte de las cadenas de amilosa y amilopectina del almidn en dextrinas por accin de la enzima -amilasa.

Posteriormente se pasa la mezcla a un equipo de coccin en el que se logra solubilizar el almidn a 110C. La masa obtenida es enviada a la segunda etapa de licuefaccin en la que se convierte por completo elalmidn a dextrinas. La licuefaccin al igual que la prelicuefaccin opera a 88C. La masa licuada es mezclada con una porcin de vinazas ligeras provenientes del rea de tratamiento de efluentes con el fin de controlar el pH entre 4-5 y con cido cuando se requiera. La masa es tambin mezclada con agua proveniente de la seccin de destilacin, esto para disminuir el porcentaje de slidos que entran a la fermentacin. 2.3.2 Sacarificacin y fermentacin simultneas Dos procesos se llevan a cabo en una misma unidad: la sacarificacin de las dextrinas para obtener glucosa y la fermentacin de la glucosa en etanol y dixido de carbono, principalmente. La sacarificacin es posible gracias a la accin de la enzima glucoamilasa que es alimentada continuamente al reactor. La fermentacin se lleva a cabo mediante la levadura Saccharomyces cerevisiae que es alimentada junto a una fuente de nitrgeno (amoniaco). Adems de la produccin de etanol se tuvo en cuenta la produccin en forma estequimtrica de biomasa y otras sustancias como acetaldehdo, glicerol y alcoholes de fusel. Los gases formados en la fermentacin son retirados y enviados a una torre de adsorcin en la cual se debe recuperar el 98% en masa del etanol arrastrado. 2.3.3 Separacin y deshidratacin Se realiza de igual forma que en el proceso a partir de caa de azcar. 2.3.4 Tratamiento de efluentes El producto de los fondos de la primera columna es parcialmente evaporado en el primer tren de evaporacin que consta de dos efectos. Este efluente parcialmente concentrado es enviado a una centrfuga en la cual se obtienen granos hmedos con 35% en peso de slidos totales. Una porcin del efluente lquido de la centrfuga (vinazas ligeras) es recirculada al rea de acondicionamiento, la parte restante se lleva al segundo tren de evaporacin en el cual se obtiene un jarabe con un contenido en slidos totales de 55% en peso [12]. El jarabe y los granos hmedos son mezclados y enviados a un secador rotatorio obtenindose un

subproducto con alto contenido protenico conocido como granos secos de destilacin con solubles (DDGS, por sus siglas en ingls) el cual es utilizado ycomercializado como alimento animal [10].

La produccin de etanol es un ejemplo de cmo la ciencia, la tecnologa, la agricultura y la industria deben trabajar en armona para transformar un producto agropecuario en un combustible.

El proceso de produccin de etanol ha sido inmensamente refinado y actualizado en aos recientes ganando en eficacia. El proceso de produccin vara ligeramente para cada uno de los tres usos principales del etanol bebidas, industrial y combustible-, pero los pasos principales son los mismos.

La mayora del etanol producido en los Estados Unidos est hecho a partir del grano de maz, pero tambin puede ser producido a partir de otros feedstocks como el sorgo, trigo, cebada, papa o remolacha. Brasil, el principal productor mundial junto a los EE.UU. lo produce a partir de caa de azcar.

Para la produccin de etanol a partir de maz hay dos mtodos primarios: la molienda seca y la molienda hmeda. La mayora del etanol producido en los EE.UU. proviene del proceso de molienda seca.

Ambos procesos incluyen esencialmente los mismos pasos: el preparado del feedstock, la fermentacin de los azcares simples, el recupero del alcohol y de los subproductos que van generndose en el proceso, diferencindose en la preparacin del grano para la molienda y la posterior fermentacin.

La eleccin de uno u otro sistema de produccin implica la obtencin de un determinado conjunto de derivados o subproductos. Del proceso de molienda seca adems del etanol se obtienen los granos destilados secos y solubles (DDGS) que son un alimento de alta calidad para el ganado.

Del proceso de molienda hmeda junto con el etanol se obtiene: aceite de maz, gluten feed y gluten meal. Estos ltimos tambin se utilizan como alimento para animales.

Molienda Seca

La molienda seca es un proceso de produccin para extraer el almidn contenido en el maz ampliamente aceptado en la industria del etanol puesto que comparativamente con el proceso de molienda hmeda tiene menores requerimientos de capital tanto al momento de construir como de operar la planta.

Los avances de la tecnologa aplicada al proceso de molienda seca han hecho que en la actualidad la conversin del maz en etanol sea mucho ms eficaz y productiva que en la primera generacin de plantas de molienda seca que operaban en la dcada del 80. Se han reducido en forma considerable los requerimientos de energa, se incorporaron sofisticados procesos de automatizacin, las enzimas disminuyeron su costo a su vez que vieron incrementado su poder de conversin, logrando con ello menores tiempos de procesamiento, el desarrollo de cedazos moleculares, todos factores que han contribuido a disminuir los costos y aumentar el volumen de etanol obtenido.

El costo de construir una planta de etanol de molienda seca se redujo en un 2530%, mientras el costo de produccin casi un 50% en los ltimos 20 aos. Muchas plantas se han integrado verticalmente, anexando explotaciones de feedlots, tambos, o en algunos casos la explotacin comercial de peces aprovechando el sistema de reciclaje de las aguas usadas en la planta.

Los 8 pasos principales en la produccin de etanol bajo este proceso son los siguientes:

Molienda: El proceso de molienda seca comienza con la limpieza del grano de maz (puede ser cebada, trigo o sorgo), que una vez limpio pasa a travs de los molinos que lo muelen en un polvo fino harina de maz-.

Licuefaccin: La harina de maz se sopla en grandes tanques donde se la mezcla con agua y las enzimas amilasa alfa- y pasa a travs de las cocinas donde se licueface el almidn. A la mezcla se le agregan componentes qumicos para mantenerla con un pH de 7. En esta etapa se aplica calor para permitir la licuefaccin, en una primera etapa a alta temperatura (120-150C) y luego a temperatura ms baja (95C). Estas altas temperaturas reducen los niveles de bacterias presentes en el pur o mosto.

Sacarificacin: El pur de las cocinas luego es refrescado a una temperatura levemente debajo del punto de ebullicin del agua- y se le agrega una enzima secundaria glucoamilasa- para convertir las molculas del almidn licuado en azcares fermentables dextrosa- mediante el proceso de sacarificacin. Las enzimas funcionan como catalizadores para acelerar los cambios qumicos.

Fermentacin: El etanol es producto de la fermentacin. Al pur se le agrega levadura para fermentar los azcares cada molcula de glucosa produce dos molculas de etanol y dos de dixido de carbono- y con ello obtener el etanol y el anhdrido carbnico. Usando un proceso continuo, el pur fluir a travs de varios fermentadores hasta que fermente completamente. En este proceso el pur permanece cerca de 48 horas antes que comience el proceso de destilacin. En la fermentacin, el etanol conserva mucha de la energa que estaba originalmente en el azcar, lo cual explica que el etanol sea un excelente combustible.

Destilacin: El pur fermentado, ahora llamado cerveza, contendr alcohol cerca del 15%- y agua al 85%-, as como todos los slidos no fermentables del maz y de la levadura. El pur entonces ser bombeado a un flujo continuo, en el sistema de la columna de destilacin, donde la cerveza se hierve, separndose el alcohol etlico de los slidos y del agua. El alcohol dejar la columna de destilacin con una pureza del 90 al 96%, y el pur de residuo, llamado stillage, ser transferido de la base de la columna para su procesamiento como subproducto.

Deshidratacin: El alcohol pasa a travs de un sistema que le quita el agua restante. La mayora de las plantas utilizan un tamiz molecular para capturar las partculas de agua que contiene el etanol al momento de salir del sistema de destilacin. El alcohol puro, sin el agua, se lo denomina alcohol anhidro.

Desnaturalizado: El etanol que ser usado como combustible se debe desnaturalizar con una cantidad pequea (2-5%) de algn producto, como nafta, para hacerlo no apto para el consumo humano.

Subproductos: Hay dos subproductos principales del proceso: el anhdrido carbnico y los granos destilados. El anhdrido carbnico se obtiene en grandes cantidades durante la fermentacin. Muchas plantas lo recogen, lo limpian de cualquier alcohol residual, lo comprimen y lo venden para ser usado como gasificante de las bebidas o para congelar carne. Los granos destilados, hmedos y secos DDGS-, se obtienen del stillage, el cual se centrfuga para separar los slidos suspendidos y disueltos. Un evaporador se utiliza para concentrar los slidos suspendidos y disueltos y despus se envan a un sistema de secado para reducir el contenido de agua a aproximadamente un 10/12%. Los DDGS contienen el ncleo del maz menos el almidn. Algunas plantas tambin elaboran un jarabe que contiene algunos de los slidos que pueden ser comercializados juntos o en forma independiente de l os granos destilados.

Molienda Hmeda

La molienda hmeda es un proceso capital intensivo, en el cual las plantas procesan un gran volumen de granos. En general la capacidad instalada es de varias centenas de millones de litros de etanol/ao, mientras que las plantas que trabajan bajo el proceso de molienda seca a lo sumo disponen de una capacidad de produccin anual de 230 millones de litros (60 millones de galones).

La operacin de molienda hmeda es ms compleja porque el grano se debe separar en sus componentes, con la ventaja que al lograr una separacin ms efectiva de los mismos se obtienen subproductos de mayor valor agregado. En la molienda hmeda solamente el almidn se fermenta mientras en la molienda seca se fermenta el pur entero.

La molienda hmeda consiste en empapar el maz en agua caliente en un proceso llamado empapamiento, luego se retira el agua y los ncleos ablandados pasan a los molinos y a los separadores donde se separa el germen, extrayndose de ste el aceite de maz. Las piezas restantes almidn, gluten y

fibras- se muelen y se pasan a travs de separadores donde se retira la fibra, se separa el almidn y el gluten. Luego se lava y se seca el almidn que puede ser usado como almidn o ser convertido en dulcificantes jarabes de maz, maicenas o etanol-.

Sintticamente los pasos del proceso son los siguientes: i. Almacenamiento y limpieza, ii. Maceracin del grano de maz, iii. Molienda gruesa (obtencin del germen), iv. Molienda fina (obtencin del gluten feed), v. Separacin del gluten y almidn (obtencin del gluten meal y del almidn), vi. Hidrlisis del almidn.

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