Corn (Maize) for Bioethanol as a Fuel Source/es

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El maíz (Zea mays) es un cultivo popular para la producción de etanol. El etanol también se conoce como alcohol etílico, alcohol de grano o alcohol.

El maíz es una planta de gran capacidad que transforma eficientemente la energía radiante del sol en energía química. Esta energía se encuentra dentro de la planta y sus granos, en forma de celulosa, aceite y almidón.

El maíz se utiliza como materia prima para la producción de etanol, debido a su alto contenido en carbohidratos, específicamente en forma de almidón.

El almidón se procesa para descomponerlo en azúcares simples, que se utilizan para alimentar la levadura y así producir alcohol.

La utilización del maíz como fuente de combustible de etanol en la industria automotriz comenzó en 1908. El primer automóvil de Ford Motor Company, el Modelo T, utilizaba gasolina de etanol de maíz.

Cronología de la historia del etanol

• En 1826, Samuel Morey desarrolló un motor que funcionaba con etanol y trementina.
• En 1896, Henry Ford construyó el cuadriciclo, que funcionaba con etanol puro.
• En 1908 , el Modelo T, el primer automóvil de la compañía Ford Motor, fue diseñado para utilizar alcohol de maíz.
• En 1920, Standard Oil comenzó a incorporar etanol a la gasolina para aumentar el octanaje y reducir el golpeteo del motor.
• En 1940, el ejército de los Estados Unidos construyó la primera planta de etanol combustible en Omaha, Nebraska. Su propósito era producir combustible para el ejército y proporcionar etanol para mezclar con otros combustibles.
• Entre 1940 y 1970, el precio de la gasolina era muy bajo en Estados Unidos, lo que provocó que no se vendiera etanol como combustible comercial al público en general.
• En la década de 1980, se añadieron a la gasolina oxigenados como el éter etílico terc-butílico (ETBE), que se obtiene a partir de etanol y petróleo.
• En 1988, se implementó por primera vez el uso obligatorio de combustibles oxigenados con etanol durante todo el invierno en Denver, Colorado. Esto permitió controlar las emisiones de monóxido de carbono.
• Las enmiendas a la Ley de Aire Limpio de 1990 establecieron la obligatoriedad del uso de combustibles oxigenados durante el invierno en 39 zonas.
• Las enmiendas a la Ley de Aire Limpio de 1995 exigieron el uso de oxigenados durante todo el año en 9 áreas.
• Desde la década de 1990 hasta la actualidad, los principales fabricantes de automóviles de Estados Unidos comenzaron a vender vehículos de combustible flexible que funcionan con un 85 % de etanol.
• En 2003, California cambió al etanol para crear gasolina reformulada.
• Desde 2003 hasta la actualidad, la mayoría de los estados de EE. UU. siguieron el ejemplo de California y reemplazaron el metil tert-butil éter (MTBE) por etanol.
• La Ley de Política Energética de 2005 estableció que la gasolina vendida en Estados Unidos debía contener un valor mínimo de combustible renovable.
• Septiembre de 2006. Se firma el Programa de Estándares de Combustibles Renovables (RFS, por sus siglas en inglés). Este programa fue diseñado para promover la mezcla de combustibles renovables (etanol) en el combustible para motores en todo el país.
• La Ley de Independencia y Seguridad Energética de diciembre de 2007 , firmada por nuestro presidente y el Congreso, exigía el uso de 15 mil millones de galones de combustible renovable (etanol) para el año 2015.
• Entre 2007 y 2008 se produjo un aumento en la cantidad de estados que impusieron el uso de gasolina E10 con un 10 % de etanol.

La producción comercial de etanol como combustible en Estados Unidos comienza con la descomposición del almidón del maíz en azúcares simples (glucosa). Estos azúcares se utilizan para alimentar levaduras (fermentación), cuyo producto principal es el etanol. Un subproducto de este proceso es el alimento para animales. Existen dos métodos diferentes para producir etanol combustible a escala industrial: la molienda húmeda y la molienda seca.

La molienda en seco representa más del 70 % de la producción de etanol, debido a que este tipo de plantas se construyen a menor escala y con menores costos de inversión. El proceso consiste básicamente en procesar el grano entero y separar los componentes residuales al final del proceso.

La producción de etanol mediante molienda en seco consta de cinco pasos principales.

1. Molienda
2. Licuefacción
3. Sacarificación
4. Fermentación
5. Destilación y recuperación

Molienda

El primer paso consiste en procesar el maíz en un molino de martillos con mallas de entre 3,2 y 4,0 mm. Tras su procesamiento inicial en el molino, el maíz se convierte en harina. Esta harina se mezcla con agua y, a continuación, se añade una enzima termoestable conocida como α-amilasa. Archivo:Corn mill.jpg

Licuefacción

La licuefacción es el segundo paso, que consiste en cocinar esta mezcla de maíz. El proceso comienza con el uso de cocedores a presión que inyectan vapor en la mezcla de harina de maíz, lo que permite que alcance temperaturas superiores a 100 °C (212 °F). Los gránulos de almidón dentro del endospermo del grano se rompen por el calor y las fuerzas mecánicas durante el proceso de cocción. Las enzimas son las que descomponen el polímero de almidón en fragmentos más pequeños. Esta mezcla de maíz cocida se enfría a 80-90 °C (175-195 °F) y se le añade una enzima termoestable adicional (α-amilasa). Esta mezcla de maíz continúa licuándose durante al menos 30 minutos.

Sacarificación

Tras el proceso de licuefacción, esta mezcla se denomina ahora "puré de maíz". El puré se enfría a unos 30 °C (86 °F) y se le añade una segunda enzima llamada glucoamilasa. La glucoamilasa completa la descomposición del almidón en azúcares simples (glucosa). El término "sacarificación" se utiliza para describir el proceso que tiene lugar mientras el puré de maíz llena el fermentador para prepararlo para la fermentación. La sacarificación continúa durante el proceso de fermentación.

Fermentación

La fermentación comienza con la adición de levadura cultivada en tanques de siembra junto con la pulpa de maíz, lo que inicia el proceso de conversión de azúcares simples en etanol. Los componentes del grano de maíz, como las proteínas y el aceite, permanecen inalterados durante la fermentación. Este proceso se realiza por lotes: se llena un tanque, se deja fermentar completamente y luego se vacía para comenzar otro lote. Tras la fermentación, la parte líquida restante de la mezcla contiene entre un 8 % y un 12 % de etanol en peso.

Destilación y recuperación

La destilación es el proceso de separar el etanol del agua. La separación comienza con el conocimiento de que el etanol tiene un punto de ebullición más bajo que el agua. Los sistemas estándar de destilación/rectificación pueden alcanzar una pureza de etanol del 92-95%. Para obtener etanol puro (>99%), el agua residual se elimina mediante tamices moleculares que adsorben selectivamente el agua de una mezcla de vapor de etanol y agua. El término "vinaza" se refiere al agua residual y a los sólidos de maíz que quedan después del proceso de destilación. Esta vinaza se separa mediante una centrífuga, que separa el líquido (vinaza diluida) de los fragmentos sólidos del grano (grano de destilería). Se puede ahorrar agua reciclando parte de la vinaza diluida al inicio de todo el proceso de molienda en seco.

Procesos previos: Molienda, licuefacción y sacarificación

Procesos posteriores : (Destilación y recuperación)

• Un sistema eficiente de molienda en seco emplea simultáneamente procesos tanto previos como posteriores al proceso. Las instalaciones que utilizan este método suelen tener tres tanques para la fermentación: uno se llena, otro fermenta (durante 48 horas) y el tercero se vacía y se prepara para el siguiente proceso.
• Otro método para aumentar la eficiencia general de una planta de molienda en seco consiste en capturar el dióxido de carbono que se produce durante la fermentación. Este se puede comprimir y vender a empresas de refrescos para su carbonatación o congelar para usarlo como hielo seco.
• Los residuos de destilación se pueden evaporar para producir un jarabe espeso. Este jarabe se puede mezclar con granos de destilería y secar para producir un tipo de alimento para animales. Este producto se llama "granos secos de destilería con solubles" (DDGS). Se puede vender a los agricultores locales, lo que ayuda a cerrar el ciclo dentro de este sistema de producción de bioetanol. Aproximadamente 7,7 kg de DDGS se pueden producir por cada bushel.

Las plantas de etanol de molienda en seco actuales son capaces de convertir el grano de maíz en etanol a una tasa de alrededor de 2,8 galones por bushel.

El etanol se considera una fuente de energía renovable. Los beneficios de aprovechar la energía solar para cultivar alimentos que luego se procesan para obtener combustible para el transporte superan los impactos de transformar recursos naturales en combustible. Este combustible alternativo conserva el petróleo y reduce las emisiones.

Seguridad energética

Estados Unidos importó alrededor del 24% del petróleo que consumió en el país.

Sin la mezcla de etanol en la gasolina, el 24% habría llegado al 32%.

El transporte representa aproximadamente las tres cuartas partes del consumo total de petróleo en Estados Unidos. La incorporación de etanol en las mezclas de combustible tiene un impacto significativo en las emisiones liberadas a la atmósfera.

Impacto en el empleo: La producción de etanol crea puestos de trabajo en las zonas rurales y promueve oportunidades laborales donde se necesitan.

La producción de etanol de 2015 dio lugar a

• una creación de alrededor de 86.000 puestos de trabajo en todo el país.
• 44 mil millones de dólares al PIB
• 24 mil millones en ingresos familiares

La incorporación de etanol en la gasolina promueve

• apoyo a la economía de Estados Unidos
• diversidad dentro de la flota de transporte de los Estados Unidos
• Reduce el impacto de las interrupciones en la cadena de suministro internacional.

Reducción de emisiones

El dióxido de carbono liberado por un vehículo durante la combustión del etanol se compensa con el dióxido de carbono capturado durante el cultivo del maíz para su producción. Las emisiones de gases de efecto invernadero se reducen aproximadamente un 40 % con el etanol a base de maíz producido en molinos secos.

El retorno energético de la inversión (EROI, por sus siglas en inglés) depende de los recursos que se utilizaron para cultivar el maíz, procesar el etanol y transportar el combustible.

Factores EROI

• Combustible diésel para maquinaria (tractores y cosechadoras)
• Gas natural utilizado para fertilizantes nitrogenados
• Gas natural y electricidad en la planta de etanol
• Energía utilizada para transportar etanol de maíz

Conversión de tierras para la producción de maíz

problemas asociados con la conversión de praderas vírgenes en tierras de cultivo

• pérdida de biodiversidad
• El carbono se almacena como materia orgánica liberada a la atmósfera.
• Causa la contribución a las emisiones de gases de efecto invernadero.

Aumento del uso de fertilizantes

El repentino aumento de la producción de maíz para la elaboración de etanol provocó un incremento drástico en el uso de fertilizantes. Esto aumenta el riesgo de que los fertilizantes se filtren en ecosistemas sensibles, lo que puede causar daños ecológicos significativos.

Alimentos vs. Energía

La transición del maíz para la producción de combustible en lugar de alimentos provoca un aumento en su precio. La demanda de maíz se incrementó para cumplir con los crecientes requisitos de Estados Unidos para el uso de etanol en la gasolina, lo que a su vez generó un aumento global en el precio del maíz. Los países en desarrollo, que dependen en gran medida del maíz para cubrir sus necesidades calóricas diarias, se vieron gravemente afectados.

"Beneficios y consideraciones del etanol". Centro de datos sobre combustibles alternativos: Beneficios y consideraciones del etanol, Departamento de Energía de EE. UU., www.afdc.energy.gov/fuels/ethanol_benefits.html.

Mosier, Nathan S., y Klein Lleleji. "Cómo se produce el etanol combustible a partir del maíz". Universidad de Purdue, 3 de junio de 2012, págs. 1-4.

Tverberg, Gail. "¿Cuáles son los problemas de usar etanol de maíz como combustible?" Nuestro Mundo Finito, 10 de enero de 2011, ourfiniteworld.com/2011/01/10/what-are-the-problems-with-using-corn-ethanol-for-fuel/.

Voelcker, John. "La EPA mantiene el mandato sobre el etanol a base de maíz y rechaza la solicitud de suspensión." Green Car Reports, 19 de noviembre de 2012, www.greencarreports.com/news/1080551_epa-keeps-corn-based-ethanol-mandate-rejects-suspension-request.