Ethanol from organic sugar beets versus refined cane sugar/es
El propósito de mi proyecto es determinar el costo de los insumos y la producción energética 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 de biocombustible. En comparación con los costos de una fuente local, también utilicé azúcar convencional transportada desde México y vendida a una empresa local de suministro de 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 producción de etanol comienza con la extracción de azúcares de cultivos como la remolacha azucarera o la conversión de almidones de cultivos como el maíz o la papa en azúcares. Los cultivos utilizados para la producción de etanol se denominan "materia prima". Tanto los cultivos de almidón como los de azúcar ofrecen beneficios según la región donde se producen. La ventaja de los cultivos de azúcar es que requieren menos energía, ya que no es necesario convertir almidones. La ventaja del maíz es que puede almacenarse mucho más tiempo que la remolacha azucarera antes de pudrirse. Utilizo remolacha azucarera porque era el cultivo más adecuado para la temporada y la región. Los azúcares se extraen exprimiendo la remolacha y hirviéndola con agua. La solución resultante se denomina "puré" y se puede fermentar y destilar para extraer el etanol. El etanol como combustible 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 máximo rendimiento 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.
Proceso de elaboración de etanol a partir de remolacha azucarera
Jugo de remolacha
Empecé lavando las remolachas y luego las corté en rodajas para que cupieran en el exprimidor. Exprimí 8 kg de remolacha, lo que produjo 5,5 litros de jugo y 3,4 kg de pulpa. Luego, agregué 7,6 litros de agua y mezclé el jugo con la pulpa para un volumen total de 19,2 litros.
Balde de cinco galones con 2 galones de jugo de remolacha azucarera.
El Exprimidor (¡¡¡mata remolacha!!).
Pulpa procedente del zumo de remolacha azucarera.
Remolacha en fermentación
Calenté el puré a 84 °C y lo mantuve a temperatura durante 20 minutos para eliminar las bacterias. El proceso de calentamiento total duró 45 minutos. Dejé que el puré se enfriara a 27 °C y luego agregué 100 g de levadura Turbo comprada en línea. La levadura Turbo es una cepa especial que, según se afirma, 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 agregada la levadura, agité la solución durante 20 minutos para aumentar su activación, luego coloqué la tapa y la esclusa de aire. Dejé que el puré fermentara durante 72 horas con la esperanza de que todos los azúcares se convirtieran en alcohol. No pude determinar el porcentaje de alcohol final de mi puré porque la solución era demasiado espesa para una lectura precisa con el hidrómetro.
Destilación de puré de remolacha
La pulpa que flotaba en la superficie del puré fermentado se raspaba, y el resto se transfería a la caldera del alambique. La destilación comenzó con una temperatura inicial de 20,7 °C en el alambique. Tras 83 minutos de calentamiento en un quemador de propano, la temperatura del alambique alcanzó los 78 °C. El destilado comenzó a fluir del alambique y se recogió a un ritmo de 0,18 litros/min. Con el paso del tiempo, la temperatura del alambique aumentaba a medida que se extraía alcohol de la caldera. Un aumento de temperatura por encima de 78,5 °C implica un mayor porcentaje de agua en el destilado que se recoge y, por lo tanto, un menor porcentaje de alcohol en el destilado. Para reducir la temperatura del alambique, se aumentó la cantidad de destilado que se devolvía a la columna principal desde la línea de retorno cerrando aún más la válvula de reflujo. Al cerrarse la válvula de reflujo, aumenta la cantidad de reflujo. La cantidad de reflujo se determina por la cantidad de destilado que se devuelve a la columna a través de la línea de retorno, por la cantidad que fluiría con la válvula de reflujo completamente abierta. Cuando se induce más reflujo (se devuelve un mayor porcentaje de destilado a la columna para su redestilación), el líquido de retorno gotea sobre la parte superior de las almohadillas de acero inoxidable (utilizadas como relleno) y desciende, creando un gradiente de temperatura de arriba a abajo. A medida que el etanol y el vapor de agua ascienden por la columna desde la caldera, el vapor encuentra almohadillas depuradoras que enfrían su temperatura de abajo a 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 ellas 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 aumenta la cantidad de agua en el vapor a medida que se acerca a 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, al aumentar la cantidad de reflujo, se reduce la cantidad de destilado recolectado por minuto y se requiere un proceso de destilación más prolongado.
Resultados y eficiencias
La cantidad total de destilado recolectado fue de 670 ml de 80 % de alcohol. Esta cantidad se convirtió en 580 ml de etanol al 100 % una vez deshidratada. La remolacha azucarera tiene un contenido de azúcar de alrededor del 20 %, por lo que el rendimiento teórico de etanol producido es de aproximadamente el 50 % de alcohol por peso de azúcar. Por lo tanto, 450 g de remolacha con 0,9 kg de azúcar debería producir 0,45 kg de etanol. El etanol pesa 3,9 kg/3,8 litros (6,5 lb/gal). Por lo tanto, teóricamente, 29,5 kg de remolacha azucarera producirían 3,8 litros (1 gal) de etanol.
Mis resultados fueron que 8 kg de remolacha azucarera produjeron 500 g de etanol. A este ritmo de producción, se necesitarían 57 kg 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 obtener 14 galones de etanol. El consumo de propano fue de 194 192 Btu, lo que produjo 10 598 Btu de etanol. La eficiencia de destilación del etanol producido por unidad de propano utilizada es del 5,5 %.
Proceso de elaboración de etanol a partir de azúcar convencional
Preparación del lavado de azúcar
El macerado de azúcar comenzó hirviendo 15 litros de agua, lo que tomó 62 minutos. Se añadieron 11,3 kg de azúcar de mesa convencional al agua hirviendo y se redujo el pH a 4,0. Se añadió más agua para completar un volumen final de 45 litros. La lectura del hidrómetro mostró una densidad de 1,095, lo que se correlaciona con un 24 % de azúcar y un 13 % de alcohol en potencia. Se mezclaron 150 g de levadura Turbo y el lavado 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 la cantidad máxima teórica 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, medios y colas). Las cabezas fueron los primeros 32 oz de etanol recolectados, con una densidad de 0,8720 y un 78 % de alcohol. El siguiente grupo (medios) se recolectó como un galón de 81 % de alcohol con una densidad de 0,8655. Las colas fueron los últimos 32 oz recolectados con 54 % de alcohol y una densidad de 0,9250.
Resultados y eficiencias
La cantidad total recolectada fue de 144,64 oz (1,13 galones) de etanol al 100 %. Mis resultados, comparados con el rendimiento máximo teórico (1,38 galones de etanol al 100 %), muestran una eficiencia del 81,9 %. El proceso de destilación de 5 horas consumió 2,65 galones de propano. 2,65 galones de propano multiplicados por 91 600 BTU/gal de propano, dan como resultado un consumo total de 242 740 BTU de propano para producir 1,13 galones de etanol. 1,13 galones de etanol multiplicados por 75 700 BTU/gal de etanol, dan como resultado 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 utilizada 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 almacenada en el etanol producido. En este experimento, para producir 0,14 galones de etanol se necesitaron 18 lb 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 es indeterminada y no se incluirá. 100 g de levadura Turbo utilizada costaron ($4.16). El proceso de destilación consumió 2.12 galones de propano, comprado a $3.00/gal ($6.36). El costo total de producir 0,14 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 lb de azúcar convencional, comprada a $0,44/lb ($9,24). Además, el lavado se calentó en dos quemadores de gas natural durante 62 min. La cantidad de energía consumida en este proceso es indeterminada y no se incluirá en el costo de producción. Se utilizaron 150 g de levadura Turbo ($6,23). El proceso de destilación consumió 2,65 galones de propano, comprado a $7,95. El costo total de producir 1,13 galones de etanol a partir de azúcar convencional es de $23,42; por lo tanto, producir un galón de etanol a partir de azúcar convencional comercial cuesta $20,73.
Conclusión
La cantidad de energía invertida en el etanol de remolacha azucarera local y en el etanol de azúcar convencional es mayor que la rentabilidad. El rendimiento de la remolacha azucarera local fue mucho menor de lo esperado, y muchos factores podrían haber influido. Mezclar el jugo de remolacha con la pulpa podría haber afectado la capacidad de las levaduras para moverse en el puré y fermentar todos los azúcares disponibles. Además, la remolacha azucarera utilizada había estado almacenada durante varios meses, lo que significa que su contenido de azúcares podría haberse degradado. Otro posible factor es que el pH no se ajustó antes de la fermentación.
El azúcar convencional tuvo resultados mucho mejores que la remolacha azucarera local; sin embargo, existen muchos otros costos externos, ya que el azúcar utilizado es un organismo modificado convencionalmente, cultivado con pesticidas y fertilizantes derivados del petróleo. Cabe preguntarse el consumo de energía necesario para cultivar dicho cultivo, 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 deben considerarse para determinar su idoneidad.
Este proyecto comenzó como un experimento para producir combustible para una moto. Tras analizar el consumo energético de la producción de etanol a pequeña escala, no tiene sentido producir etanol casero mediante el uso de combustibles refinados como el gas natural y el propano. En el tiempo que tardé en producir suficiente etanol para impulsar la moto a 160 kilómetros, podría haber recorrido la distancia equivalente en bicicleta. El etanol solo es eficiente cuando los cultivos se cultivan a gran escala. La planta de procesamiento para producir 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 solar.
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 |
|---|---|
| Construcción todavía y recolección de materiales | 40 |
| jugo de remolacha | 7 |
| maceración | 8 |
| destilación | 9 |
| edición | 12 |
| Total | 74 horas |