BIOETANOL
EDWARD AMAGUAÑA VEGA ANDRÉS FELIPE GARAVITO ASTRID LORENA RAMÍREZ RAMÍREZ SANTIAGO RODRÍGUEZ VALDERRAMA LESLIE JOHANNA VECINO RINCÓN
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL BUCARAMANGA 2013
BIOETANOL
EDWARD AMAGUAÑA VEGA ANDRÉS FELIPE GARAVITO ASTRID LORENA RAMÍREZ RAMÍREZ SANTIAGO RODRÍGUEZ VALDERRAMA LESLIE JOHANNA VECINO RINCÓN
Informe presentado para el cumplimiento de la actividad de seminarios.
ADRIANA LUCIA MANOSALVA CORTÉS Docente
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL GRUPO J1 BUCARAMANGA 2013 2
INTRODUCCIÓN Los grandes procesos biológicos de la actualidad involucran actividades realizadas por microorganismos; uno de los procesos más eficientes y efectivos, es la fermentación de biomasas, por medio de microorganismos con el objetivo de producir combustibles (biocombustibles) y su posterior uso como fuente de energía. Uno de estos es le Bioetanol, que es el combustible de mayor y rápida producción en la industria de los biocombustibles debido a su gran importancia en el pilar de las energías renovables.
Existen innumerables operaciones unitarias en el proceso de la obtención de bioetanol, estas dependen de la calidad de los sustratos y de los microorganismos utilizados en dichos procesos; nombraremos las principales características de las tres diferentes generaciones de obtención de Bioetanol y sus respectivos microorganismos como agentes fermentadores y productores del Biocombustible.
Uno de los objetivos de la producción de bioetanol bajo la acción de microorganismos es aprovechar el bajo costo y el alto rendimiento de dichos organismos, con el fin de generar un resultado favorable tanto tanto económico como como ecológico, gracias a la actividad netamente biológica que realizan estos microbios. Expondremos el bioproceso, su importancia y facilidad de obtención y el comportamiento en su auge de futuro combustible.
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Contenido INTRODUCCIÓN
..............................................................................................................................3
OBJETIVO GENERAL ......................................................................................................................5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICACIÓN
...........................................................................................................5
...............................................................................................................................5
1.
HISTORIA DEL BIOETANOL ..................................................................................................6
2.
DEFINICIÓN DEL BIOETANOL ..............................................................................................7
3.
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA ...........................................................................................7
4.
CLASIFICACIÓN DEL BIOETANOL ......................................................................................8 4.1
BIOETANOL DE PRIMERA GENERACIÓN .................................................................9
4.1.1 4.2
BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACIÓN ............................................................
4.2.1 4.3
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN .........................................9 10
DESCRIPCION DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN ...................................... 10
BIOETANOL DE TERCERA GENERACIÓN ............................................................. 11
4.3.1
DESCRIPCION DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN ...................................... 11
5. APLICACIÓN APLICACIÓN MICROBIOLOGICA MICROBIOLOGICA EN EL PROCESO PROCESO DEL DEL BIOETANOL. BIOETANOL. .......... 12 5.1 6.
MICROORGANISMO ....................................................................................................
12
PARAMETROS DE CONTROL ...........................................................................................
14
BIBLIOGRAFÍA ................. ................. ................. .................. ................. ................. .................. ...... 16 WEBGRAFÍA.
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OBJETIVO GENERAL Enunciar y analizar el proceso de obtención de Bioetanol producido por medio de microorganismos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Enunciar las principales fuentes de materia prima para obtención de bioetanol. Analizar los principales procesos que intervienen en la obtención de bioetanol. Conocer algunos de los los principales microorganismos que intervienen en la la producción de bioetanol.
JUSTIFICACIÓN Debido a los notables cambios y la gran implementación de entidades vivas en procesos la industria actual de producción de combustibles, se hace notar un auge en la implementación de microorganismos eficientes que permiten un avance en la producción de bioetanol, por su fácil manejo y su efectividad; esto hace novedoso y a su vez ecológico el manejo de organismos suficientes de realizar este proceso sin repercusiones desfavorables en el medio ambiente. Pero antes de llegar a este punto en la evolución se llevaron a cabo numerosas investigaciones que dieron como resultado la diversificación en las fuentes de materia prima, proceso e implementos para la producción de etanol. La importancia de resaltar cada uno de los pasos resaltando su importancia conlleva a entender claramente lo que es el etanol y lo que representa para la industria y para el mundo.
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1. HISTORIA DEL BIOETANOL La palabra alcohol se deriva del Árabe
(el) y que que significa (sutil); siglos AC los griegos y romanos tenían un conocimiento previo acerca de la destilación (destilaban con alambiques), los árabes mejoraron las técnicas y los alambiques, estos experimentaron destilando uvas y otras frutas para uso medicinal y perfumería por esto los árabes usaron la palabra para describir el producto de la destilación, a continuación presentaremos algunas fechas importantes en la historia del bioetanol.
1150, la destilación alcohólica fue considerada como elemento de desarrollo histórico de la alquimia durante la edad media. 1764, se identificó el gas CO2 resultante de la fermentación por el químico químico MacBride. 1789, Antoine Lavoiser, hizo experimentos determinando determinando las las cantidades cantidades de de elementos que intervienen en la fermentación (carbono, oxígeno e hidrógeno) 1815, el investigador francés Joseph Lous Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacción de fermentación obteniendo etanol a partir de glucosa, a pesar de este logro los fundamentos de la fermentación alcohólica eran completamente desconocidos. 1837, Schwan y Kützing en Alemania descubren que las levaduras levaduras (organismos microscópicos unicelulares) son la causa del proceso, pero no fue hasta que Eduard Buchner en el año 1897 descubre que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentación alcohólica trabajó por el que recibe el premio nobel de química. 1908, Henry Ford diseño su primer automóvil modelo T, esperaba utilizar etanol hecho de recursos renovables para que fuera el combustible más utilizado. Sin embargo a medida que el automóvil se volvió más popular, se comenzaron a utilizar como combustibles los derivados del petróleo perdiéndose así el empleo del alcohol.. 1973, Brasil comenzó a mezclar etanol con gasolina en la proporción de 22:78. 1979, Brasil produjo los primeros automóviles que podían funcionar con alcohol hidratado (95% de etanol y 5% de agua).
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Actualmente, China ha sustituido a los Estados Unidos de América como el emisor más importante de gases contaminantes. Además, los combustibles de origen fósil no sólo son fuente de contaminación, sino que sus reservas están en vías de agotarse. Frente a esta realidad, el nuevo acuerdo que se discute en Copenhague, y que debería entrar en vigencia en 2013, negocia cómo financiar el recorte de 6 mil millones de toneladas de dióxido de carbono (CO2) para 2020, y otras 20 giga toneladas para 2050. 19 de septiembre del 2001, el congreso de la república de Colombia expidió la ley 693 la cual pretende controlar la contaminación del medio ambiente mediante el uso de oxigenantes de la gasolina, lo cual impulso la producción de etanol, ya que es un biocombustible de fuentes renovables que reduce considerablemente las emisiones de dióxido de carbono.
2. DEFINICIÓN DEL BIOETANOL El Bioetanol es un combustible líquido incoloro, inflamable, Producto de fermentación alcohólica de origen biológica de diversos materiales orgánicos a través de la acción de microorganismos. También es conocido como etanol biocarburante, por su gran utilidad en la industria de combustibles, cuyas características físicas y químicas se asemejan o reemplazan a los combustibles derivados del petróleo gracias con alto octanaje ( esto se refiere a que al ser usado con fines industriales permite obtener mayor potencia)y su solubilidad en gasolina. Dependiendo del tipo de materia prima utilizada en el proceso se obtienen tres tipos de bioetanol las cuales son: Bioetanol de primera generación, segunda generación y tercera generación.
3. FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general 7
azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico
FIGURA 1. Ruta metabólica de la fermentación anaerobia.
4. CLASIFICACIÓN DEL BIOETANOL Actualmente existen tres tipos de bioetanol, que se clasifican según su materia prima y su proceso de obtención, los cuales son: Bioetanol de primera, segunda y tercera generación.
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4.1
BIOETANOL DE PRIMERA GENERACIÓN GENERACIÓ N
El bioetanol de primera generación es el obtenido a partir de sustratos que poseen una gran concentración de azucares, almidones, grasas animales; entre las más comunes encontramos:
Materia azucarada: Jugo de caña de azúcar, jugo de remolacha azucarera.
4.1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN
FIGURA 2. Proceso de obtención de bioetanol de primera generación. La obtención del bioetanol de primera generación procesa mediante las siguientes operaciones unitarias:
Extracción de jugos azucarados: La extracción de los jugos de la las materias primas se hace principalmente por presión, para forzar termodinámicamente la disociación de los componentes de la materia prima
Fermentación: proceso anaeróbico realizado especialmente por levaduras, consiste en la transformación de azucares en alcohol.
Destilación: Esta etapa utiliza el proceso de evaporización con el fin de separar los diferentes componentes líquidos, en este caso separar el agua del alcohol de la mezcla fermentada. 9
Desulfuración, Deshidratación, Desmetilizacion: se basa en la eliminación de azufre, agua y grupos metilos, bajo la acción de un tratamiento térmico para que el alcohol pierda la suficiente cantidad de dichas impurezas con el fin de aumentar la pureza del producto. Almidones con un porcentaje de 98% de pureza.
4.2
BIOETANOL DE SEGUNDA GENERACIÓN
El bioetanol de segunda generación es el obtenido a partir de sustratos amiláceos (almidones), entre los más comunes tenemos:
Almidones: Maíz, Sorgo, Cebada, Trigo.
4.2.1 DESCRIPCION DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN
FIGURA 3. Proceso de obtención de bioetanol de segunda generación.
Preparación: se tritura el sustrato amiláceo, para reducir el tamaño.
Pre-tratamiento: se le adicionan enzimas al sustrato, para hidrolizarlo y reducir los almidones a monosacáridos.
Fermentación: proceso anaeróbico realizado especialmente por levaduras, consiste en la transformación de azucares en alcohol. 10
Destilación: Esta etapa utiliza el proceso de evaporización con el fin de separar los diferentes componentes líquidos, en este caso separar el agua del alcohol de la mezcla fermentada.
Desulfuración, Deshidratación, Desmetilizacion: se basa en la eliminación de azufre, agua y grupos metilos, bajo la acción de un tratamiento térmico para que el alcohol pierda la suficiente cantidad de dichas impurezas con el fin de aumentar la pureza del producto. Almidones con un porcentaje de 98% de pureza.
4.3
BIOETANOL DE TERCERA GENERACIÓN
Lignocelulosa: Bagazo de caña de azúcar, rastrojo de maíz, pajas de cereales, residuos urbanos, pastos.
4.3.1 DESCRIPCION DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN
FIGURA 3. Proceso de obtención de bioetanol de tercera generación. La obtención del bioetanol de tercera generación se procesa mediante las siguientes operaciones unitarias:
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Pre-tratamiento: Se busca remover la lignina y la hemicelulosa, para reducir la cristalinidad de la celulosa, aumentar la porosidad y área de contacto del sustrato para facilitar la hidrólisis.
Hidrolisis enzimática: Es la adición de enzimas al sustrato de celulosa con el fin de hidrolizar dicho sustrato y obtener monómeros como la sacarosa.
Fermentación: Proceso anaeróbico realizado especialmente por levaduras, consiste en la transformación de azucares en alcohol.
Destilación: Esta etapa utiliza el proceso de evaporización con el fin de separar los diferentes componentes líquidos, en este caso separar el agua del alcohol de la mezcla fermentada.
Desulfuración, Deshidratación, Desmetilizacion: se basa en la eliminación de azufre, agua y grupos metilos, bajo la acción de un tratamiento térmico para que el alcohol pierda la suficiente cantidad de dichas impurezas con el fin de aumentar la pureza del producto.
Con las anteriores operaciones se obtiene bioetanol proveniente de azucares, almidones con un porcentaje de 95-98% de pureza.
5. APLICACIÓN MICROBIOLOGICA EN EL PROCESO DEL DEL BIOETANOL. Como todo bioproceso, se necesita la presencia de microrganismos que ayuden en el proceso de formación del alcohol, (en este caso la fermentación de la materia prima tratada), su posterior tratamiento y conversión en alcohol carburante, gracias a estos microorganismos y su rápida, económica acción. En la naturaleza existen diversas especies de microorganismos capaces de fermentar azucares en productos con alto contenido de alcohol reconociendo entre ellos los diferentes tipo del limitaciones en los procesos metabólicos y su capacidad de adaptación a las condiciones del proceso
5.1
MICROORGANISMO
Uno de los microorganismo más utilizado para la obtención de bioetanol de primera generación es Saccharomyces uvarum (levadura), que es un híbrido S. cerevisiae y del S. monacensis, se menciona este microorganismo 12
específicamente debido a su importancia en la producción de bioetanol en los ingenios azucareros colombianos.
FIGURA 5. Levadura S. Uvarum TAXONOMÍA
Saccharomyces uvarum
Clasificación científica
Reino:
Fungi
Filo:
Ascomycota
Clase:
Hemiascomycetes
Orden:
Saccharomycetales
Familia:
Saccharomycetaceae
Género:
Saccharomyces
Especie:
S. uvarum
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La actividad de las levaduras y de las enzimas se ve influenciada por agentes externos y que se reflejan en el rendimiento del proceso, entre estos factores tenemos: concentración de azucares presentes, pH, temperatura, presión.
5.2
METABOLISMO
La mayoría de microorganismos (levaduras) utilizan esta ruta metabólica para la producción de bioetanol.
6 PARAMETROS DE CONTROL AZUCARES: Una alta concentración de azucares en los jugos de pre fermentación, generan un rendimiento en la fermentación por medio de las levaduras, esta concentración debe estar entre 14 a 20 grados brix. pH: Para obtener un buen rendimiento en la fermentación, ésta se debe realizar o la materia prima (jugos de azucarados) deben estar en un rango de pH entre 3.0 a 4.0., con el cual se genera una inmunidad en el crecimiento y desarrollo agentes patógenos y permite una acción eficiente de fermentación por parte de la levadura. TEMPERATURA: La actividad de las levaduras es intensa e ideal en un rango de temperaturas entre 20 o y 25 0 Celsius, llegando a su máximo auge en una temperatura igual a 30 0 C, por encima de los 40 o C la acción y rendimiento de las levaduras disminuye. 14
PRESION: En la actividad fermentativa se forma etanol y se desprende gas carbónico, en la medida que su concentración aumenta en el recipiente de fermentación, la presión aumenta y trae como consecuencia una disminución de la actividad celular de las levaduras, por esta razón la presión del recipiente donde se genere la fermentación debe estar regulada constantemente para hacer eficiente el proceso.
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BIBLIOGRAFÍA
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Yuki Matano, Tomohisa Hasunuma, Akihiko Kondo; Simultaneous improvement of saccharification and ethanol production from crystalline cellulose by alleviation of irreversible adsorption of cellulase with a cell surface-engineered yeast strain, Applied Microbiology and Biotechnology March 2013, Volume 97, Issue 97, Issue 5, pp 5, pp 2231-2237
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