Una abundancia de combustible limpio, producido localmente, podría mejorar drásticamente el nivel de vida en algunas partes del mundo en desarrollo. Este combustible podría transportar mercancías a los mercados, producir vapor y electricidad, calentar hogares, hervir agua y cocinar alimentos, proporcionar energía para equipos de comunicación y mejorar los niveles de educación y salud. Con una menor dependencia de combustibles más sucios, habría menos contaminación del aire en el interior y en el exterior, y menos deforestación y erosión de los suelos. Este informe describe la ingeniería simple requerida para aumentar la eficiencia de un alambique solar para producir etanol concentrado de bajo costo como combustible a nivel local, "micro", de manera confiable y segura.
Cabe señalar que este proyecto es sólo para combustible-alcohol y no para consumo humano, aunque los principios básicos de diseño podrían aplicarse a la destilación de agua u otros líquidos. También se debe tener en cuenta que este es un diseño teórico en este momento y, como tal, no se han realizado prototipos ni pruebas, pero los resultados de dichas pruebas se publicarán cuando estén disponibles.
Contenido
Historia
Durante los últimos dos siglos, se han desarrollado muchos sistemas para generar alcohol combustible (etanol) a partir de azúcares y almidones y los inventores han demostrado la utilidad de este combustible. El primer motor alimentado con alcohol fue un motor de combustión interna, construido en 1826 por Samuel Morey. [1] Cincuenta años más tarde, el ingeniero alemán Nicholas Otto inventó el motor de combustión interna de cuatro tiempos (ciclo Otto), utilizando etanol como combustible principal. A finales del siglo XIX, el cuatriciclo de Henry Ford funcionaba con etanol. Creía que el alcohol era "el combustible del futuro" y, en 1912, puso a disposición su Modelo-T con un motor de etanol. Los equipos agrícolas en Europa se desarrollaron utilizando etanol como combustible a lo largo del siglo XX , lo que aumentó la autosuficiencia de estos países. Las interrupciones en el suministro de petróleo de América del Norte desde el Medio Oriente comenzaron a principios de los años 1970 y, en respuesta a estos problemas de suministro, la política pública ha fomentado la investigación y el desarrollo de combustibles alternativos como una forma de escapar de la dependencia de proveedores hostiles.
En un informe publicado por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada en 1981, Bradley, Moody, Portch y Runnion crearon un resumen de las tecnologías comunes disponibles para producir combustibles alcohólicos a partir de azúcares y almidones. [2] Desde entonces, las tecnologías para la producción de combustible de alcohol se han vuelto cada vez más complejas, haciéndolas menos disponibles donde el costo y la simplicidad del diseño son importantes.
Controversia entre combustible y alimentos
La conveniencia y la ética de la producción de etanol a partir de materiales que podrían servir como alimento es objeto de una controversia y un debate cada vez mayores. Lo que no se debate, sin embargo, es el efecto profundo y positivo en las economías locales, la manufactura, el medio ambiente y el nivel de vida que el uso ampliado de estos combustibles limpios podría tener en las comunidades y naciones en desarrollo. La respuesta definitiva a este debate puede radicar en el desarrollo de una producción de bajo costo de alcohol combustible a partir de celulosa y hemicelulosa pero, hasta que esta tecnología esté más fácilmente disponible y sea más asequible, la ingeniería puede ser capaz de cerrar la brecha entre el potencial y el real. beneficios utilizando el conocimiento actual.
Fondo
Fuentes disponibles de sustratos combustibles.
La conversión de azúcares, granos y material vegetal no comestible (celulosa y hemicelulosa) en etanol se logra mediante tres pasos: hidrólisis, fermentación y destilación. Aquí se ofrece una breve descripción de estos procesos pero una descripción más detallada de la hidrólisis titulada "Hidrólisis del almidón para la producción de etanol". por GB Borglum de Myles Laboratories está disponible aquí , mientras que una buena revisión de la fermentación se encuentra aquí . Puede encontrar un artículo particularmente bueno que describe la destilación solar aquí.
Hidrólisis
Las frutas, verduras y cereales, todas fuentes de azúcares y almidones, se hierven y se agitan durante 30 minutos para descomponer las paredes celulares y liberar azúcares de cadena larga. A medida que se enfría, se añade a la solución alfa-amilasa, económica y disponible comercialmente, para hidrolizar estos azúcares de cadena larga en polisacáridos de cadena corta. Luego, se agrega beta-amilasa a esta solución para reducir los azúcares de cadena corta a moléculas de glucosa individuales. Este proceso es razonable para comunidades remotas y en desarrollo porque los costos y requisitos de esta tecnología son pequeños.
Si se va a utilizar celulosa y hemicelulosa vegetal no comestible, como tallos de caña o maíz o fibra de madera, entre muchas otras, también se hierven para liberar una variedad de polisacáridos. En ese punto, se utilizan sustancias químicas más sofisticadas en forma de celulasas, derivadas de varios organismos, para convertir estos azúcares de cadena larga en monosacáridos simples. [3] Estos azúcares simples incluyen los azúcares xilosa, manosa, galactosa y pentosa, entre otros. También se puede utilizar la hidrólisis química de celulosa y hemicelulosa mediante ácidos fuertes (H 2 SO 4 , HCl) para exponer los azúcares. [4]
Fermentación
Si la solución contiene glucosa simple, se agrega levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae) y se agita la solución para oxigenarla durante diez a veinte minutos, iniciando la brotación de la levadura. Saccharomyces fermentará la glucosa en oxígeno, pero lo hará de forma más completa en condiciones anaeróbicas. La solución se aísla del aire y se producen CO 2 y etanol. Como se analizó en la hidrólisis, si están presentes azúcares distintos de la glucosa (los derivados de la celulosa y la hemicelulosa), se requieren otras enzimas. La xilosa es el monosacárido predominante en la hidrólisis celulítica, por lo que comúnmente se utilizan beta-D-xilosidasas. [5] La introducción de organismos que producen estas enzimas en condiciones anaeróbicas da como resultado la producción de una variedad de subproductos, principalmente, pero no exclusivamente, CO 2 y etanol.
El etanol en la "cerveza" producida en cualquiera de los procesos aumentará su concentración hasta que se agoten los azúcares en la solución o la concentración de etanol exceda las tolerancias de los organismos que se utilizan para la fermentación y mueran. Esto suele ocurrir por encima del 14%. La mayoría de los procesos de fermentación utilizarán un hidrómetro para guiar la decisión sobre cuándo extraer el producto fermentado, generalmente en concentraciones del 10 al 12% para que se pueda agregar un nuevo sustrato, diluyendo la concentración y permitiendo que el proceso continúe sin matar los organismos esenciales. .
Destilación
El etanol es miscible en agua y la solución se puede concentrar por destilación hasta niveles en los que pueda funcionar como combustible, una mezcla del 50% o más. El potencial de la solución para ser utilizada como combustible aumenta a medida que aumenta la concentración. Debido a que el alcohol y el agua se convierten en un azeótropo a una concentración de etanol de aproximadamente el 95 %, la destilación a esta concentración es lo ideal, ya que controlar la presión dentro del alambique está más allá del alcance de este diseño.
El etanol se separará de la mezcla cuando la temperatura de la cámara de vaporización alcance el punto de ebullición del etanol (puede encontrar una tabla de temperaturas de evaporación en la Tabla 1). La temperatura de evaporación de la solución de etanol-agua estará entre el punto de ebullición del etanol y el del agua, dependiendo de la concentración de la solución.
Los alambiques que son capaces de producir etanol altamente concentrado lo hacen permaneciendo a la temperatura de ebullición del etanol puro.
Tabla 1 - Punto de ebullición del etanol al 95 % frente a la altitud
| Altitud (pies) | Punto de ebullición del etanol al 95% (°C) |
| 0 | 78.1 |
| 500 | 77,3 |
| 1000 | 77.1 |
| 1500 | 76,7 |
| 2000 | 76.2 |
| 2500 | 75,7 |
| 3000 | 75,2 |
| 3500 | 74,7 |
| 4000 | 74.2 |
| 4500 | 73,8 |
| 5000 | 73.3 |
| 6000 | 72,4 |
| 7000 | 71,4 |
| 8000 | 70,4 |
| 9000 | 69,4 |
| 10 000 | 68,4 |
| 15 000 | 63,5 |
Combustible de alta calidad con baja tecnología
Los alambiques solares son dispositivos mínimamente sofisticados que emplean energía solar para separar el etanol del agua en la solución. La radiación UV de onda corta penetra el vidrio en la cara del alambique, golpea la superficie oscura de la mecha de evaporación y se convierte en radiación de onda más larga, quedando atrapada en el alambique y calentándolo (efecto invernadero). El vapor de etanol se eleva desde la plataforma de evaporación, entra en contacto con el vidrio en el frente del alambique, se condensa y se acumula en una concentración que excede la de la solución original. Inicialmente, el alambique se calentará hasta el punto de ebullición del etanol y la mayor parte de la destilación se llevará a cabo relativamente rápido, pero a medida que se extrae el etanol y la composición de la mezcla de agua cambia, la temperatura dentro del alambique aumentará, alcanzando eventualmente un punto donde parte de la mezcla comenzará a hervir. En la práctica, esto da como resultado una concentración cercana al 60% a partir de un lote inicial de solución de etanol al 10%. Más procesos de destilación eventualmente producirán una solución al 95%.
Construir
Si bien el diseño aún no se ha probado , el alambique de este proyecto debería, en teoría, funcionar como un alambique por lotes y continuo. También ofrece la opción de agregar una ventilación de aire controlada activamente para ayudar a controlar la temperatura interna. La Figura 1 a continuación muestra el diseño básico del alambique y las dimensiones propuestas. Las dimensiones internas se eligieron en función de los requisitos del alambique para poder procesar un lote de 1 litro. Con base en las tuberías de plástico de diámetro estándar y lo que se consideraron dimensiones razonables para la construcción, se eligió un diámetro y una longitud de tubería óptimos de 3 pulgadas y 20 pulgadas respectivamente y, como tales, las dimensiones internas miden 20" x 20" x 4,5".
Figura 1: Croquis acotado del fotograma.
Materiales
- Materiales para los lados (sugerido: madera de 4,5" x 3/4" o de otro tipo)
- Material para hacer la pieza base en ángulo (use el corte final del material lateral)
- Material para hacer la cubierta de ventilación (use el corte final del material lateral)
- Material para cubrir la placa posterior del alambique (contrachapado de 1/4" o equivalente)
- Arpillera u otro material oscuro absorbente
- Dos trozos de tubería de PVC de 3" de diámetro interior y 20" de largo
- dos tornillos
- Dos tornillos y la broca correspondiente para montar el alambique en un soporte
- Una pieza de plexiglás lo suficientemente grande como para cubrir la cara frontal de la caja.
- Broca de 1/16" o equivalente para hacer agujeros en la tubería de PVC
- Broca de 1/4" para hacer orificios de ventilación.
- Pintura negra (opcional)
- Material del stand (no cubierto en este proyecto).
Asamblea
| 1.0 | Corte y ensamble los cuatro lados de la caja de modo que la caja quede cuadrada y las dimensiones internas midan 20" x 20" x 4,5". Corte y ajuste la placa posterior a los lados. Corte e instale la pieza de base inclinada de manera que tiene una altura de menos de 1" en un extremo, no tiene pendiente en el otro y tiene el espesor total de la caja. Pinte las caras interiores de los lados, la parte inferior y la placa trasera de negro si es posible. |  |
| 2.0 | Corte un trozo de tubería de PVC por la mitad a lo largo de su longitud e instálela en la caja aproximadamente a 1" del fondo y presione firmemente contra la placa posterior. Si es posible, selle alrededor de los tres bordes en contacto con la caja (masilla, cinta, etc.). será el canal de recogida de la mezcla. | |
| 3.0 | Coloque el material absorbente en la placa posterior. cubra desde la parte superior de la caja hasta el interior del recipiente de recolección. El fluido a destilar absorberá o absorberá este material dependiendo del método que se utilice para operar el alambique. | |
| 4.0 | Perfore orificios pequeños (~1/16"), espaciados uniformemente (intervalo de ~1") en la pieza de tubería de PVC restante e instálela en la parte superior del alambique con los orificios mirando directamente hacia abajo cuando el alambique esté inclinado en su ángulo óptimo. Selle alrededor de los extremos de la tubería si es posible. |  |
| 5.0 | Encuentre la masa central de la caja e instale pernos para permitir montar el destilador en un soporte e inclinarlo al ángulo apropiado para recibir la máxima cantidad de sol. | |
| 6.0 | Haz tres agujeros. Uno que se alinee con el centro de la pieza de tubería completa; uno que se alinee con el punto más bajo del canal de recolección de la mezcla cuando la caja se coloca en su ángulo óptimo con respecto al sol; y uno en la esquina inferior de la placa posterior, de modo que cualquier fluido que corra por la pieza base en ángulo saldrá a través de este orificio. Instale accesorios de plomería y selle los bordes de PVC si es posible. |  |
| 7.0 | Si desea un sistema activo de control de temperatura, taladre orificios de ventilación en el costado de la caja como se muestra en la figura 6 y luego cúbralo con la cubierta de ventilación, como se ve en la figura 7. Esto permitirá que el disco gire abriendo o cerrando el agujeros mientras se mantiene el disco equilibrado sobre el eje de rotación. Usar un chip sensor/controlador de temperatura como el sensor de aprendizaje de temperatura Aniomagic ($4.80/chip cuando se compra en cantidades superiores a 100) junto con una batería de 3 V o un panel solar equivalente y un pequeño motor eléctrico montado fuera de la caja para hacer girar la ventilación. cubrir. Coloque dos tornillos pequeños en los puntos de parada deseados para el disco, que también se ven en la figura 6, permitiendo una posición de ventilación abierta o cerrada. |   |
| 8.0 | Asegure el panel de plexiglás al frente del alambique y séllelo si es posible. |  |
Operación
Si el alambique se utiliza con un lote de fluido, llene el tubo superior o el recipiente de recolección con una solución de etanol/agua al 10 %. Dependiendo de dónde ingrese el fluido, absorberá o absorberá el material de la placa posterior, lo que le otorga un área mucho mayor para evaporarse. El etanol comenzará a evaporarse a medida que el alambique se caliente y se condensará sobre el plexiglás. Una vez condensado, el etanol correrá hasta la base inclinada, donde podrá recogerse a través del orificio situado en la parte posterior del alambique y utilizarse directamente si la concentración es correcta, o reprocesarse en caso contrario. Si el tubo superior se llenó con el lote, o si el alambique se utiliza en un proceso de destilación continuo, el fluido en el recipiente de recolección se puede recolectar para reprocesamiento, verterlo en cascada en un segundo alambique o desecharlo.
Trabajo futuro
El trabajo futuro para este proyecto incluye la creación de prototipos y pruebas de campo de la unidad comenzando con una mezcla de etanol y agua al 10%. Una vez que se obtiene una línea de base de la eficiencia de destilación de la unidad, se debe probar el sistema activo de control de temperatura. Una vez que se demuestra la capacidad del destilador para mantener la temperatura, se debe diseñar, construir y probar en el campo un verdadero sistema pasivo de control de temperatura. Otra adición al proyecto debería ser la creación de instrucciones con imágenes para usuarios que no hablan inglés.
Referencias
- ^ Hardnburg, HO Samuel Morey y su motor atmosférico. Warrendale, Pensilvania: Soc. Automotriz. Ingenieros, 1992, pág. 6-7.
- ^ Bradley, C., R. Moody, R. Portch y K. Runnion. Producción de alcohol combustible: un estudio selectivo de los sistemas operativos. Centro Nacional de Tecnología Apropiada, 1981. p.48.
- ^ Carpeta, JB y RT Raines. Azúcares fermentables por hidrólisis química de biomasa. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, enero de 2010.
- ^ Rumbolt, K., van Buijsen, HJ, Overkamp, KM, van Groenestijn, JW, Punt, PJ y van der Werf, MJ Selección de huéspedes de producción microbiana para convertir materias primas de segunda generación en bioproductos. Microb Cell Fact., 2009. 4 de diciembre; 8:64.
- ^ Selig, MJ y col. Expresión heteróloga de Aspergillus niger BD-xilosidasa: Caracterización sobre sustratos lignocelulósicos. J. Aplica. Bioquímica. Biotecnología. Vol 146, #1-3/marzo de 2008.