Produccion de BioEtanol
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PRODUCCIÓN DE ETANOLDocente:Alumnos :
Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo”
Diseño de Bioprocesos y Biotecnología Microbiana
Dr. Carlos E. Villanueva Aguilar.Rómulo Aycachi IngaDany Luz Piscoya Purihuamán
Lambayeque – Setiembre 2008
PRODUCCIÓN DE ETANOL
- Dany Luz Piscoya Purihuamán- Rómulo Aycachi Inga
INTEGRANTES:
¿Qué es el etanol? Alcohol, líquido, incoloro e
inflamable También como alcohol etílico. CH3-CH2-OH Bebidas, combustible,
disolvente, anticongelante, farmacéutica.
P. E.: 78 ºC P. F.: -144 ºC M. M.: 46.07 g/mol Densidad: 0.789 g/mol LD50: 7.060 mg/Kg oral Tº inflamab.: 13 ºC
Hidratación de etileno. Fermentación Act. Enz. sobre jarabesazuc.
Destilación y rectificación del petróleo (MTBE)
BIOETANOL
Fermentación Alcohólica
(anaerobiosis)
Biocombustible
AzúcaresAgricultura
Gasohol
Alconafta
E10, E85 ETBE
Biomasa Desechos agrícolas
Celulosa
Trigo
Maíz
Caña azúcar
Petróleo
Importancia
Agotamiento
Precios
Contaminación
Emisiones CO2
Derrames
CalentamientoGlobal
Dependencia Económica
Crisis energética
Clasificaci
ónmund
ial
País 2006 2005 2004
1 Estados Unidos
4.855 4.264 3.535
2 Brasil 4.491 4.227 3.989
3 China 1.017 1.004 964
4 India 502 449 462
5 Francia 251 240 219
6 Alemania
202 114 71
7 Rusia 171 198 198
8 Canadá 153 61 61
Producción anual de etanol por país (2004-2006)[1]
Quince mayores países productores(millones de galones internacionales, todos los grados de etanol)
9 España 122 93 79
10 Sudáfrica 102 103 110
11 Tailandia 93 79 74
12 Reino Unido 74 92 106
13 Ucrania 71 65 66
14 Polonia 66 58 53
15 Arabia Saudita 52 32 79
Producción mundial total
13.489 12.150 10.770
Brasil: Principal productor (caña)315 mill. TM (⅔ para OL)
300 destil. y + de 225 ingenios
Combustibles: Mezcla de gasolina con etanol
OBLIGATORIA %
Tailandia 10 Por ahora en Bangkok
Suecia 5 Todo el territorio nacional
China 5 Por ahora en 5 provincias
Filipinas 5 Todo el territorio nacional
Francia 5 Se para el 2010
Japón 3 Es opcional, pero le apuntan al 10%
Bolivia 25 Sin fecha
Argentina 5 Se espera para el 2011
Vehículos que utilizan bioetanol:
Renault Megane Ford Focus Ford Focus C-Max Volvo C30 Volvo S40 Saab 9-5 BioPowerSaab: 9-X BioHybrid (Concept Car)Ferrari F430 Spider Bio Fuel
Ventajas y desventajas de los biocombustibles
VENTAJAS DESVENTAJAS
No incrementa niveles de CO2 en la atmósfera.
Costo de producción casi dobla al de la gasolina.
Proporciona fuente de energía renovable.
Se necesitan grandes espacios de cultivo.
Revitalizan economías rurales, generan empleo.
Potenciación de monocultivos intensivos (uso de pesticidas y herbicidas)
Se podrían reducir los excedentes agrícolas.
Combustible precisa de una transformación previa compleja.
Se mejora aprovechamiento de tierras de poco valor agrícola.
Su uso se limita a un tipo de motor de bajo rendimiento y poca potencia.
Se mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales.
Principales M.O. Productores de Etanol
Bacterias: Zymomonas mobilisZymomonas mobilis Clostridium
acetobutylicum Klebsiella oxytoca Escherichia coli
Levaduras: Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae Pichia stipitis Pachysolen tannophilus Candida shehate
Zymomonas mobilis
Bacilos Gram ( - ) Pares
Móviles (1 – 4 flagelos)
Colonias en ½Standar
Brillantes
Blancas o cremas
Ǿ 2 mm
Anaerobio facultativo Pérdida espontánea
Borde regular
Aroma “frutado”
Otras características
Fermentación
Glucosa
Fructosa
Agua, suelo, plantas
No cápsula
No espora
Oxidasa, Indol, RM,NO3, Tween 80 Negativo
Sacarosa
Características Bioquímicas:
Vía Entner – Doudoroff Degradación de glucosa en
anaerobiosis Mol y ½ de OL/Mol glúcido
ferm. ↓ Ac. láctico, trazas
acetilmetilcarbinol. ½ con 2% de extr. levadura,
20% glucosa. pH óptimo: 7.3 (a 30 ºC). Actividad de catalasa. Pantotenato, biotina (indisp.)
Z. mobilis en agar LMDA
Vía de Entner - Doudoroff
x 1Mol de sust. consumido → 2Mol NADH.
Rendimiento en ATP → 1 x Mol de hexosa degradada.
No posee sist. De transp. (P- enol piruvato glucosa P- transferasa, permeasa).
Sí: sist. transp. x difusión facilitada.
Hábitat limitado a entornos con
↑[azúcar].
Asimilación de Gluc. Con-trolada por el balance ener-
gético de la célula
Fructoquinasa fuertementeinhibida x Gluc.
↑[gluc.] inhibe la actividad deHidrólisis de la
sacarosa
Tipo competitivo
Influencia del O2
Bact. no estrictamente anaerobia.
Aireación disminuye rendimiento en etanol.
↓ [Ac. láctico] qglucosa y producción de
Ac. Acético. Efecto Pasteur ausente. Rendimiento Yx/s no
en aerobiosis.
Inhibición por Etanol
Tolerancia mayor al etanol. Producción etanol a []s ↑ a
13% (p/v). Glucoquinasa y
fructoquinasa no inhibidas por etanol.
Resistencia por rearreglo en:
– Membrana– Fosfolípidos– Hopanoides– Proteínas
Saccharomyces cerevisiae
Levadura de cerveza
Hongo unicelular Levadura
Tolera ↑ [etanol]
Vino Cerveza
Pan
Etanol Biomasa
Utilidades
Osmotolerante
↑ [azúcar]
Reino : Fungi
Filo : Ascomycota
Clase : Hemiascomycetes
Orden : Saccharomycetales
Familia : Saccharomycetaceae
Subfamilia : Saccharomycetaidae
Género : Saccharomyces
Especie : S. cerevisiae
No exigente nutricionalmente
Invertasa
Características generales de las Levaduras
Dimensiones (micras) 4 – 8
Tiempo de duplicación (horas)
1 – 3
pH (rango óptimo) 4.5 – 5.5
Nitrógeno (%) 7.5 – 8.5
Proteína (%) 35 – 45
Ácidos nucleicos (%) 6 – 12
Carbohidratos (%) 30 - 45
Necesidades nutricionales mínimas para S. cerevisiae
Fnte. carbono: AzúcaresFnte. Nitrógeno: sulfato amónico, Úrea o aminoácidosBiotina (B8 o Vit. H)Sales y elementos traza
Color: crema o blanco
Apariencia: húmedoy brillante
Bordes: irregu-lares
25 a 30 ºC
Producción de as-cosporas
Si hay requer. nutr. adecuados
Ciclo sexual de S. cerevisiae
Bioquímica de la formación de Etanol
Aerobiosis: oxidan azúcares simples (G, F) → CO2 y H2O
Vías: Embden Meyerhof Parnas, luego Ciclo Krebs.
70% de glucosa → piruvato (Glicólisis).
30% glucosa→ Vía Pentosa –P
Anaerobiosis: Gluc. oxidada x vía glicolítica y luego x Ferm. OL
Producción: Etanol, CO2, 1 ATP
Oxidación Gluc. x Vía Glucólisis → Piruvato
Piruvato descarboxilado x 1. → acetaldehído.
Acetaldehído reducido a Etanol x 2.
También formación de Glicerol x reducción de dihidroxiacetona –P x 3. → glicerol 3 –P.
Glicerol 3 –P hidrolizado hasta Glicerol x 4.
1. Piruvatodescarboxilasa2. OL deshi-
drogenasa
4. Glicerol 1 - fosfatasa
3. DihidroxiacetonaP- reductasa
En presencia de O2 ó cuando no hay más azúcar disponible: Levaduras pueden oxidar etanol → acetaldehído (x OL deshidrogenasa). Luego, nuevamente oxidado hasta acetato (x aldehído deshidrogenasa)
Acetato
2H
AldehídoDeshidrog.
Reacciones comprendidas en la fermentación alcohólica
C6H12O6 + 2Pi + 2 ADP → 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2 ATP + 25.5 kcal
180g 92g 88g
Azúcar - Hexosa Etanol Anh. carbónico
Rx exergónica
Peso %
Etanol 48.4
Anh. Carbónico 46.6
Glicerol 3.3
Ac. Succínico 0.6
Materia celular 1.2
TOTAL 100.1
Rendimiento ideal de Pasteur
100 Kg azúcar-hexosa → 51.1 Kg Etanol + 48.9 Kg CO2.
1g glucosa
0.511g Etanol
0.489g CO2
GAY LUSSAC
En realidad Yp/s
diferente del ideal
Producción de otrosmetabolitos
Mantenimiento
Rendim. Experim.90 – 95% del teórico
(0.469-0.485 g/g)
Rendim. Industrial87 – 93% del teórico
Compuestos carbonados
utilizables por
S. cerevisiae
D- glucosaD- galactosa
ManosaFructosaSacarosaMaltosa
MelobiosaMelecitosa
TrealosaRafinosa
MaltotriosaDesoxirribosa
D- manitolEtanol
D- glucitolAc. láctico
Materia prima para producción de bioetanol
Principales fuentes actualesde producción de Bioetanol
a nivel mundial
Levaduras
Invertasa
Zimasa
Efecto Pasteur
Levaduras metabolizan azúcares en aerobiosis y anaerobiosis.
Aerobiosis: > rend. celular. Para un mismo rendimiento
celular: consume < azúcar en aerob. q’ en anaerob.
Aerob. ↓ fermentación.
Competencia entre piruvato descarboxilasa (ferm. – baja afinidad x piruvato) y piruvato deshidrogenasa (resp. – gran afinidad)En S. cerevisiae este efecto o
bien está ausente o tiene una amplitud muy débil.
Se refiere a la inhibición de la Glicólisis debido a la presen-cia de oxígeno.
azúcar en gr./l Alcohol formado en 2 meses
370 8.6
420 6.3
470 5.9
550 3.4
750 0
Efecto Crabtree
Se refiere a la inhibicion del consumo de O2 x ↑[glucosa].
Algunas levaduras fermentan en presencia de O2, aun teniendo cadena respiratoria.
Para evitar producción de etanol en condiciones aerobias → cultivo en Fed - Bach
Proceso de Producción de Bioetanol
Procesamiento de Diferentes Materias Primas
Procedimiento para la obtención de
etanol
Acondicionamiento de las materias primas
Hidrólisis. Fermentación de
azucares. Destilación
BIOETANOL Es un alcohol elaborado de fuentes renovables que
sigue un procedimiento de fabricación similar al de la cerveza:
O mediante la fermentación directa de productos azucarados:
Los principales objetivos de la producción de bioetanol Son: Preparar mezclas con gasolina en lugar de otros aditivos
como el ETBE (Etil terbutil éter) o el MTBE (Metil terbutil éter) en proporciones superiores al 5%.
Usarlo como carburante en mezclas con gasolina hasta un 85%.
Suministrarlo como materia prima en la producción del ETBE.
BIOETANOL
Materias Primas Las principales fuentes
actuales de producción de bioetanol a nivel mundial son:– Maíz– Yuca– Remolacha– Sorgo Dulce– Caña de Azúcar
Producción de alcohol a partir de Maíz
Producción de Etanol de Yuca
Producción de Etanol de Yuca (continuación)
Producción de Etanol de Remolacha
Francia es uno de los países que ha desarrollado tecnología para obtener etanol de remolacha, después de establecido el Protocolo de Kyoto.
Se obtienen 0,2 litros de etanol/kg de remolacha.
Producción de Etanol de Sorgo Dulce
El grano de sorgo es rico en almidón y es uno de los cultivos óptimos para otras aplicaciones industriales.
Se obtienen 0,14 litros de etanol/kg de sorgo dulce.
Producción de Etanol a partir de la Caña de Azúcar
Se obtienen 0,085 litros de etanol/kg de
caña de azúcar. Actualmente, Brasil es el
principal productor mundial de etanol de caña de azúcar.
Produce alrededor de 315 millones de toneladas de caña , y cerca de 2/3 de esta es utilizada para la producción de etanol.
Rendimiento de Cultivos en la Producción de Alcohol
Principales Productores de Bioetanol en el Mundo (2005)
Complejo Agroindustrial
Impacto Ambiental
Proceso de Fermentación del Etanol
Mecanismo de Conversión: Gay-Lussac C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
100kg = 51.1Kg + 48.9Kg Hexosa Etanol CO2
Composición de la Melaza de Caña
COMPONENTECOMPOSICION
(%)Agua 20
Glucosa 35
Sacarosa 7
Levulosa 9
Otras sustancias reductoras 3
Otros carbohidratos 4.1
Cenizas 12
Compuestos nitrogenados 4.5
Compuestos no nitrogenados 5
Ceras, esteroides y esterofosfolípidos 0.4
Propiedades Físico-Químicas de la Melaza
pH: Las melazas de cañas de azúcar son ligeramente ácidas 5.5 – 6.5 Ácidos Alifáticos. 4.5 – Acido sulfúrico.
Densidad: Grados Brix 24º Brix.
Nutrientes: = 85% del maíz en grano.
0.2g de Urea x 1L de melaza
Saccharomyces cereviseae Levadura de excelencia para la producción de Etanol → Industrial → Fácil manipulación y Recuperación.
Proceso Productivo del Etanol• Etanol (alcohol etílico) producido
x fermentación de azúcares que están en productos vegetales.
• Cereales, caña de azúcar, remolacha o biomasa (combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa).
• Dependiendo de su fuente de obtención, su producción implica fundamentalmente:
• Proceso de separación de los azúcares.
• Fermentación y destilación de las mismas.
Cadena Productiva del Etanol Biocarburante
Biorreactor
Instalación piloto de 100 L.
LEYENDA
A: Bioreactor de fermentación. B y C: Recipientes de
almacenamiento de ácido y de base respectivamente.
D Recipiente de recolección de levaduras y vinasas para el reciclaje.
E: Decantador. Mn: Recipiente de
almacenamiento de melazas. F: Válvulas automáticas. G: Intercambiador de calor para
el calentamiento del caldo de fermentación.
H: Intercambiador de calor para el enfriamiento de vinasas.
J: Recipiente de recolección de vinasas.
K: Recipiente de recolección del caldo de fermentación.
L: Columna de destilación. M: Bomba para la crema de
levaduras. N: Bomba de alimentación a la
columna de destilación. O: Bomba de reciclaje de
levaduras. P: Bomba para el reciclaje de
vinasas. Fm: Flujo de melazas. Fe: Flujo de agua. Fair: Flujo de aire. CO2: Flujo de dióxido de
carbono. Fv: Flujo de vinasas. Pef: Flujo de etanol.
¡¡¡GRACIAS POR SU
ATENCIÓN!!!
REFERENCIAS: Apuntes Varios: Capítulo 14: Metabolismo de Glucosa. Obtenido el 12 de
agosto de 2008 en http://marc.pucpr.edu/facultad/santos/Trabajos/611/bio611/capitulo_14.pdf
Apuntes Varios: Leccion 9: Producción de Polialcoholes. Obtenido el 12 de agosto de 2008 en http://www1.us.es/pautadatos/publico/asignaturas/40397/17341/BIOTEC_06-07_TEMA%209.pdf
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