Etanol de remolacha azucarera orgánica versus azúcar de caña refinado
El objetivo de mi proyecto es determinar los costos de insumos y los costos de energía de la producción de etanol a pequeña escala a partir de fuentes locales y convencionales. Decidí utilizar remolacha azucarera orgánica cultivada localmente con equipo agrícola que utiliza biocombustibles. En comparación con los costos de una fuente local, también utilicé azúcar convencional transportada desde México y vendida en una empresa local de suministros para restaurantes. Además, fabriqué el alambique de etanol de Amal para realizar las pruebas.
El etanol es un alcohol de grano que se puede utilizar como combustible en la mayoría de los motores de encendido por chispa de cuatro tiempos. El proceso de fabricación del etanol comienza extrayendo los azúcares de un cultivo azucarero como la remolacha azucarera, o convirtiendo los almidones de cultivos como el maíz o las patatas en azúcares. Los cultivos utilizados para la producción de etanol se denominan "materias primas". Tanto los cultivos de almidón como los de azúcar tienen sus beneficios según la región en la que se produzcan. El beneficio de los cultivos azucareros es que requieren menos aporte de energía, ya que no es necesario convertir almidones. El beneficio del maíz es que puede almacenarse mucho más tiempo que la remolacha azucarera antes de pudrirse. Estoy utilizando remolacha azucarera porque era el cultivo más apropiado para la temporada y la región. Los azúcares se extraen exprimiendo las remolachas y hirviéndolas con agua. Ahora la solución se llama "puré" y se puede fermentar y luego destilar para extraer el etanol. El combustible de etanol se puede utilizar en la mayoría de los motores convertidos si tiene un porcentaje de alcohol superior al 80%. Debido a la gran capacidad del etanol para unirse al agua, ningún alambique puede eliminar el último 5 % de agua. Por lo tanto, el rendimiento máximo posible de un alambique es del 95 % de etanol. Si se mezcla etanol con gasolina, se debe eliminar toda el agua para evitar la separación de la gasolina y el etanol.
Contenido
Proceso de elaboración de etanol a partir de remolacha azucarera
Jugo de remolacha
Comencé lavando las remolachas y luego cortándolas en rodajas para que cupieran en el exprimidor. Exprimí 18 libras de remolachas, lo que me dio 1,4 galones de jugo y 7,5 libras de pulpa. Luego agregué 2 galones de agua y mezclé el jugo y la pulpa para un volumen total de 5 galones.
Balde de cinco galones con 2 galones de jugo de remolacha azucarera.
El exprimidor (¡¡asesino de remolacha!!).
Pulpa procedente del zumo de remolacha azucarera.
Remolacha fermentada
Calenté el puré a 189 °F y lo mantuve a temperatura durante 20 minutos para matar las bacterias. El proceso de calentamiento total tomó 45 minutos. Dejé que el puré se enfriara a 80 °F y luego agregué 100 g de levadura Turbo que compré en línea. La levadura Turbo es una cepa especial de levadura que se afirma que produce hasta un 14 % de alcohol en 48 horas. Al fermentar el puré, es importante lograr el mayor porcentaje de alcohol posible para que se pueda recolectar más alcohol una vez destilado. Una vez que se agregó la levadura, agité la solución durante 20 minutos para aumentar la activación de la levadura, luego coloqué la tapa y la esclusa de aire. Dejé que el puré fermentara durante 72 horas con la esperanza de convertir todos los azúcares en alcohol. No pude determinar el porcentaje de alcohol final de mi puré porque la solución era demasiado espesa para una lectura precisa del hidrómetro.
Destilación de puré de remolacha
La pulpa que flotaba en la parte superior del puré fermentado se raspaba y luego el resto del puré se transfería a la caldera del alambique. La destilación comenzó con una temperatura inicial del alambique de 20,7 °C. Después de 83 minutos de calentamiento en un quemador de propano, la temperatura del alambique alcanzó los 78 °C. El destilado comenzó a fluir fuera del alambique y se recogió a una velocidad de 0,18 litros/min. A medida que pasaba el tiempo, la temperatura del alambique aumentaba a medida que se extraía alcohol de la caldera. Un aumento de la temperatura por encima de los 78,5 °C significa un mayor porcentaje de agua en el destilado que se está recolectando y, por lo tanto, un menor porcentaje de alcohol total del destilado que se recolecta. Para reducir la temperatura del alambique, se aumentó la cantidad de destilado que se enviaba de regreso a la columna principal desde la línea de retorno cerrando aún más la válvula de reflujo. A medida que se cierra la válvula de reflujo, aumenta la cantidad de reflujo. La cantidad de reflujo se determina por la cantidad de destilado que se envía de regreso a la columna a través de la línea de retorno por la cantidad que fluiría cuando la válvula de reflujo está abierta al 100%. Cuando se induce más reflujo (se envía un mayor porcentaje de destilado de regreso a la columna para ser redestilado), el líquido devuelto gotea sobre la parte superior de las almohadillas depuradoras de acero inoxidable (usadas como relleno) y gotea hacia abajo, creando un gradiente de temperatura de arriba hacia abajo. A medida que el etanol y el vapor de agua suben por la columna desde la caldera, el vapor encuentra almohadillas depuradoras que se enfrían en temperatura de abajo hacia arriba. El termómetro digital utilizado para determinar la temperatura del alambique se coloca sobre la parte superior de las almohadillas depuradoras apiladas para leer la temperatura de los vapores que pasan a través de las almohadillas depuradoras y hacia el condensador. Por lo tanto, las temperaturas más cercanas a 78,5 °C darán el mayor porcentaje de etanol, ya que 78,5 °C es el punto de vapor del etanol. A medida que aumenta la temperatura del alambique, también lo hace la cantidad de agua en el vapor a medida que aumenta hacia los 100 °C (el punto de vapor del agua). Aumentar la cantidad de reflujo reduce la temperatura del alambique, lo que a su vez produce un mayor porcentaje de etanol. Sin embargo, cuando se aumenta la cantidad de reflujo, se reduce la cantidad de destilado que se recolecta por minuto y se requiere un funcionamiento más prolongado del proceso de destilación.
Resultados y eficiencias
La cantidad total de destilado recolectado fue de 22 oz de 80% de alcohol. Esta cantidad se convirtió en 18 oz de etanol al 100% una vez deshidratada. Las remolachas azucareras tienen un contenido de azúcar de alrededor del 20%, por lo que el rendimiento teórico de etanol producido es de alrededor del 50% de alcohol por peso de azúcar. Por lo tanto, 1 libra de remolacha con 2 libras de azúcar debería rendir 250 g de etanol. El etanol pesa 6,5 libras por galón. Por lo tanto, teóricamente, 65 libras de remolacha azucarera rendirían 1 galón de etanol.
Los resultados que obtuve fueron que 18 libras de remolacha azucarera produjeron 18 onzas de etanol. A este ritmo de producción, se necesitarían 128 libras para producir un galón de etanol. Mi proceso tuvo una eficiencia del 50,8 % en comparación con el rendimiento máximo teórico.
- Se consumieron 12 galones de propano para producir 14 galones de etanol. El aporte de Btu de propano consumido fue de 194 192 Btu para producir 10 598 Btu de etanol. La eficiencia del etanol producido en la destilación por unidad de propano utilizado es del 5,5 %.
Proceso de elaboración de etanol a partir de azúcar convencional
Preparando el lavado de azúcar
El macerado de azúcar comenzó hirviendo 4 galones de agua, lo que llevó 62 minutos. Se agregaron 25 libras de azúcar de mesa convencional al agua hirviendo y se redujo el pH a 4,0. Se agregó más agua para completar un volumen final de 12 galones. La lectura del hidrómetro mostró una gravedad específica de 1,095, que se correlaciona con un 24 % de azúcar y un 13 % de alcohol potencial. Se mezclaron 150 g de levadura Turbo y el lavado se fermentó durante 5 días.
Resultados de la fermentación del lavado con azúcar
Después de cinco días de fermentación, una lectura final del hidrómetro mostró que quedaba un potencial de 1,5 % de alcohol en el fermentador y que el lavado fue de 12 galones de 11,5 % de alcohol. 11,5 % de 12 galones es un máximo teórico de 1,38 galones de alcohol al 100 % a destilar.
Destilando el lavado de azúcar
Solo cabían 10 galones de puré en el alambique, por lo que el máximo teórico de alcohol a destilar se redujo a 1,08 galones de etanol al 100 %. El alambique funcionó durante 5 horas con un quemador de propano y el destilado se recolectó en tres categorías de principio a fin (cabezas, partes medias y colas). Las cabezas fueron las primeras 32 oz de etanol recolectadas, que tenían una gravedad específica de 0,8720 y 78 % de alcohol. El siguiente grupo (parte media) se recolectó como un galón de 81 % de alcohol con una gravedad específica de 0,8655. Las colas fueron las últimas 32 oz recolectadas con 54 % de alcohol y una gravedad específica de 0,9250.
Resultados y eficiencias
La cantidad total recolectada fue de 144,64 oz (1,13 gal) de etanol al 100 %. Mis resultados, comparados con el rendimiento máximo teórico (1,38 gal de etanol al 100 %) son de una eficiencia del 81,9 %. El proceso de destilación de 5 horas consumió 2,65 gal de propano. 2,65 gal de propano multiplicado por 91 600 BTU/gal de propano es un consumo total de BTU de propano de 242 740 BTU para producir 1,13 gal de etanol. 1,13 gal de etanol multiplicado por 75 700 BTU/gal de etanol es 98 410 BTU de etanol producido.
Por lo tanto, se necesitaron 242.740 BTU de propano para producir 98.410 BTU de etanol. La eficiencia del etanol producido en la destilación por unidad de propano utilizado es del 40,5%.
Costo por galón de etanol
Costo del etanol de remolacha orgánica local
Mis resultados muestran que la destilación con propano consume más energía que la energía almacenada en el etanol producido. A partir de este experimento, para producir 14 galones de etanol se necesitaron 18 libras de remolacha azucarera comprada a $1,00/lb ($18,00). El puré se calentó en dos quemadores de gas natural durante 45 minutos. La cantidad de energía utilizada en este proceso no se ha determinado y no se incluirá. Se utilizaron 100 g de levadura Turbo que costaron ($4,16). El proceso de destilación consumió 2,12 galones de propano comprados a $3,00/gal ($6,36). El costo total de producir 14 galones de etanol fue de $28,52. Por lo tanto, el costo de producir etanol a partir de remolacha azucarera orgánica local es de $203,71/gal.
Costo del etanol producido a partir de azúcar convencional
En este experimento, para producir 1,13 galones de etanol se necesitaron 21 libras de azúcar convencional comprada a 0,44 dólares la libra (9,24 dólares). Además, el agua de lavado se calentó en dos quemadores de gas natural durante 62 minutos. La cantidad de energía consumida en este proceso no se ha determinado y no se incluirá en el coste de producción. Se utilizaron 150 g de levadura Turbo (6,23 dólares). El proceso de destilación consumió 2,65 galones de propano comprado a 7,95 dólares. El coste total de producir 1,13 galones de etanol a partir de azúcar convencional es de 23,42 dólares, por lo tanto, producir un galón de etanol a partir de azúcar convencional comprada en tiendas cuesta 20,73 dólares.
Conclusión
La cantidad de energía invertida en la producción de etanol de remolacha azucarera local y de etanol de azúcar convencional es mayor que el rendimiento. Los rendimientos de la remolacha azucarera local fueron mucho menores de lo esperado y muchos factores podrían haber estado en juego. La mezcla del jugo de remolacha con la pulpa puede haber obstaculizado la capacidad de las levaduras para moverse por el puré y fermentar todos los azúcares disponibles. Además, las remolachas azucareras utilizadas habían estado almacenadas durante algunos meses, lo que significa que su cantidad de azúcares puede haberse degradado. Otro factor posible es que el pH no se ajustó antes de la fermentación.
El azúcar convencional ha dado mejores resultados que la remolacha azucarera local, pero hay muchos otros costes externos, ya que el azúcar que se utiliza es un organismo modificado convencionalmente que se cultiva con pesticidas y fertilizantes derivados del petróleo. Hay que preguntarse por el consumo de energía que supone cultivar un cultivo de este tipo, procesar la cosecha, refinar el azúcar, envasarlo y enviarlo al norte de California desde México. Todos estos factores no se pudieron medir en mi proyecto, pero hay que tenerlos en cuenta para comprobar su idoneidad.
Este proyecto comenzó como un experimento para fabricar combustible para una moto. Después de analizar los insumos energéticos de la producción de etanol a pequeña escala, no tiene sentido fabricar combustible de etanol en el patio trasero mediante el uso de combustibles refinados como el gas natural y el propano. En el tiempo que me llevó producir suficiente etanol para hacer funcionar la moto durante 160 kilómetros, podría haber recorrido la distancia equivalente en bicicleta. El combustible de etanol solo es eficiente cuando los cultivos se cultivan a gran escala. La instalación de procesamiento para fabricar etanol debe estar cerca del cultivo para reducir los costos de transporte. El proceso de maceración y destilación debe basarse en recursos no fósiles. Las alternativas de calefacción son la quema de biomasa o el posible uso de alambiques solares que concentran la energía del sol.
Costos del proyecto
Costos de ingredientes/materiales
| Material | Costo |
|---|---|
| Remolachas azucareras de 40 libras | $40 |
| 25 libras de azúcar | $11 |
| Tamiz molecular de zeolita de 12 lb | $70 |
| Levadura turbo de 12 oz | $14 |
| quemador de propano | $48 |
| Tanque de propano de 5 galones | $24 |
| Total | $207 |
Tiempo
| Fase | Tiempo en horas |
|---|---|
| Construyendo todavía y reuniendo materiales | 40 |
| Exprimir remolacha | 7 |
| maceración | 8 |
| destilando | 9 |
| edición | 12 |
| Total | 74 horas |