Understanding Ethanol Fuel Production and Use/Operating principles/es

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La producción de etanol como combustible combina procesos biológicos y físicos. El etanol se produce mediante la fermentación de azúcares con levadura y se concentra hasta alcanzar la calidad de combustible mediante destilación.

Las materias primas, los materiales básicos, son cultivos que contienen azúcar o almidón . Estos "cultivos de biocombustible" (tubérculos y granos) comúnmente incluyen remolacha azucarera, papas, maíz, trigo, cebada, alcachofas de Jerusalén y sorgo dulce. Los cultivos azucareros como la caña de azúcar, la remolacha azucarera o el sorgo dulce se extraen para producir una solución que contiene azúcar que puede ser fermentada directamente por levadura. Sin embargo, las materias primas de almidón deben pasar por un paso de conversión adicional. El almidón es un polímero de "cadena" larga de glucosa (es decir, muchas unidades de polímero de glucosa unidas en una cadena). Los almidones no se pueden fermentar directamente a etanol. Primero deben descomponerse en unidades de glucosa más simples a través de un proceso de hidrólisis. En el paso de hidrólisis, las materias primas de almidón se muelen y se mezclan con agua para producir una masa que normalmente contiene de 15 a 20 por ciento de almidón. La masa luego se cocina a punto de ebullición o más y se trata en secuencia con dos preparaciones enzimáticas. La primera enzima hidroliza las moléculas de almidón en cadenas cortas; La segunda enzima hidroliza las cadenas cortas a glucosa. Luego, la mezcla se enfría a 30 °C y se le añade levadura.

Las levaduras son microorganismos que producen etanol. Estos microorganismos son capaces de convertir el azúcar en alcohol mediante un proceso biológico llamado fermentación. La siguiente ecuación muestra la reacción biológica básica en la conversión, por fermentación, de un kilogramo de glucosa en etanol, dióxido de carbono y calor:

Teóricamente, la eficiencia máxima de conversión de glucosa a etanol es del 51 % en peso. Sin embargo, la levadura utiliza parte de la glucosa para la producción de biomasa celular y otros metabolitos además del etanol. En la práctica, entre el 40 y el 48 % de la glucosa se convierte en etanol. Con una eficiencia de fermentación del 45 %, 1000 kilogramos de azúcar fermentable producen aproximadamente 570 litros de etanol puro. Por el contrario, se requieren aproximadamente 1800 kilogramos de azúcar fermentable para producir 1000 litros de etanol. El mosto suele contener entre 50 y 100 gramos de etanol por litro (del 5 al 10 % en peso por volumen) una vez finalizada la fermentación.

El etanol se separa del mosto mediante destilación, un proceso físico en el que los componentes de una solución (en este caso, agua y etanol) se separan por diferencias en el punto de ebullición o la presión de vapor.

El etanol y el agua forman un azeótropo, o solución de ebullición constante, de aproximadamente un 95 % de alcohol y un 5 % de agua. Este 5 % de agua no se puede separar mediante destilación convencional. La producción de etanol puro, anhidro (libre de agua), requiere una etapa de deshidratación posterior a la destilación. La deshidratación, una etapa relativamente compleja en la producción de etanol como combustible, se lleva a cabo de dos maneras. El primer método utiliza un tercer líquido, generalmente benceno, que se añade a la mezcla de etanol y agua. Esto modifica las características de ebullición de la solución, permitiendo la separación del etanol anhidro. El segundo método emplea tamices moleculares que absorben selectivamente el agua en función de la diferencia de tamaño molecular entre el agua y el etanol.

Los sólidos no fermentables del mosto destilado (vinaza) contienen cantidades variables de fibra y proteína, según la materia prima. El líquido también puede contener proteína soluble y otros nutrientes. La recuperación de la proteína y otros nutrientes de la vinaza para su uso como alimento para el ganado puede ser esencial para la producción económica de etanol. El contenido de proteína varía según la materia prima. Algunos granos (por ejemplo, maíz, cebada) producen un subproducto sólido, los granos secos de destilería (DDG), que contienen entre un 25 y un 30 por ciento de proteína y constituyen un excelente alimento para el ganado. Si el equipo de procesamiento está construido de acero inoxidable y el procesamiento se lleva a cabo en condiciones bien controladas, los subproductos proteicos también pueden ser consumidos por humanos.

La producción de etanol también genera efluentes líquidos , lo que representa un problema potencial de contaminación . Se producen aproximadamente 9 litros de efluentes por cada litro de etanol. En plantas bien diseñadas, parte de los efluentes pueden reciclarse. Los efluentes pueden tener una alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO), que es una medida del potencial de contaminación orgánica del agua, y son ácidos. Requieren tratamiento antes de su descarga. Los requisitos de tratamiento dependen de la materia prima y de las normativas locales de control de la contaminación. Debido a su acidez, se debe tener precaución si los efluentes se esparcen en campos.

El etanol es un líquido estable y de alta calidad. Algunas de sus propiedades químicas y físicas se resumen en la Tabla 1.

[a] El punto de ebullición es la temperatura a la que un líquido cambia de fase y se convierte en gas; el punto en el que la presión de vapor del líquido es igual a la presión de vapor del sistema.

[b] El calor de combustión es la cantidad de calor que se libera cuando una cantidad unitaria de cualquier hidrocarburo (por ejemplo, etanol) se quema para producir dióxido de carbono y agua.

[c] El calor de vaporización es el aporte de calor necesario para cambiar un líquido en su punto de ebullición a un vapor a la misma temperatura (por ejemplo, agua a 100°C a vapor a 100°C).

[d] La relación estequiométrica aire/combustible es la cantidad de aire necesaria para oxidar (quemar) completamente el combustible.

El etanol se utiliza comúnmente en el transporte y la agricultura como combustible para motores de combustión interna de cuatro tiempos y encendido por chispa. Se usa como sustituto directo de la gasolina o se mezcla con ella como extensor y potenciador del octanaje.

El uso de etanol para sustituir la gasolina requiere modificaciones en el carburador, los componentes del sistema de combustible y, a menudo, la relación de compresión. La conversión eficiente de los motores de gasolina existentes requiere técnicos cualificados y con experiencia.

Los motores diseñados y fabricados específicamente para funcionar con etanol suelen ser más eficientes que los motores de gasolina modificados. Se pueden utilizar concentraciones de etanol de entre el 80 y el 95 %, lo que elimina la necesidad de sistemas de deshidratación complejos y simplifica la destilación. En muchos casos, la conversión de motores para funcionar con etanol puede ser más sencilla y rentable que la deshidratación del etanol. La desventaja de la conversión de motores es que la autonomía del vehículo está limitada por la disponibilidad y distribución de etanol.

Algunos sistemas de "combustible dual" —es decir, motores con carburador que pueden funcionar con etanol o gasolina— se han desarrollado de forma limitada. En Brasil, una parte importante del parque automotor utiliza etanol en automóviles con motores especialmente diseñados, fabricados por importantes compañías automovilísticas internacionales.

En motores sin modificar, el etanol puede sustituir hasta el 20 % de la gasolina. La mezcla de etanol con gasolina prolonga el suministro y mejora su calidad al aumentar su índice de octano. Como potenciador del octanaje, el etanol puede sustituir los compuestos de plomo en la gasolina. El uso de mezclas de gasolina y etanol presenta ventajas sobre el etanol puro. Estas mezclas no requieren modificaciones en el motor. De esta forma, el etanol puede integrarse rápidamente en los sistemas de suministro y distribución de gasolina existentes. La sustitución de los compuestos de plomo por etanol elimina uno de los principales problemas de contaminación atmosférica asociados a la gasolina.

La desventaja de usar mezclas de etanol y gasolina es que el etanol debe ser anhidro, lo que requiere un proceso de deshidratación durante su producción. Si se mezcla etanol no anhidro con gasolina, la mezcla se separará en una fase de gasolina y una fase de agua/etanol, lo que provocará un funcionamiento irregular del motor.

Además de su uso en automóviles de gasolina y en motores de camiones o tractores, el etanol puede utilizarse en otros tipos de motores. Por ejemplo, los pequeños motores de gasolina de cuatro tiempos que se encuentran en maquinaria agrícola de pequeña escala (como cultivadoras y tractores pequeños) suelen funcionar con entre un 80 y un 95 % de etanol como sustituto directo de la gasolina. Estos motores que funcionan con etanol requieren modificaciones mínimas.

El uso de etanol en motores de dos tiempos especialmente diseñados se ha demostrado de forma limitada. El problema de usar etanol en estos motores es que no se mezcla bien con el aceite lubricante. Para solucionar este problema, se están realizando investigaciones para encontrar aceites lubricantes que no se vean afectados por el etanol.

Si bien el uso de etanol en motores diésel es factible, presenta limitaciones. El etanol no se inflama bajo compresión y no se mezcla bien con el diésel. Por lo tanto, no puede utilizarse como sustituto directo del diésel ni mezclado con él en motores de encendido por compresión. El etanol solo puede utilizarse como sustituto del diésel si el motor está equipado con bujías incandescentes.

En los motores diésel sobrealimentados, el etanol puede utilizarse hasta en un 25 % del combustible total. Esto se consigue transportando el etanol en un depósito aparte e inyectándolo en el motor diésel mediante el flujo de aire del sobrealimentador.

El etanol también puede sustituir al combustible de aviación en los motores de los aviones.

El etanol se puede utilizar en diversos aparatos de cocina, calefacción e iluminación. En algunos casos, se puede usar en aparatos modificados diseñados para combustibles convencionales. En otros casos, se requieren aparatos diseñados específicamente para funcionar con etanol.

Esta sección describe brevemente los procesos y equipos necesarios para cada etapa principal de la producción de etanol. Asimismo, ofrece un análisis general de la economía de la producción de etanol. No pretende brindar información específica sobre el diseño de la planta.

Los procesos y equipos varían considerablemente, dependiendo de la materia prima, la necesidad de hidrólisis del almidón, el uso final del etanol, los servicios auxiliares disponibles, la fuente de energía del proceso, el uso de los subproductos y la escala de la planta.

Los estudios de diseño de la planta indican que existe una economía de escala para una planta de 30 000 000 galones/año que produce etanol hidratado (190 grados proof) y cogenera energía, es decir, que utiliza grupos electrógenos de turbina de gas in situ alimentados con etanol hidratado para cubrir las necesidades energéticas de la planta. Los gases de escape de la turbina podrían utilizarse para obtener vapor a alta presión, y los gases de escape calientes residuales podrían emplearse en operaciones de secado de subproductos del proceso. Para maximizar la rentabilidad, se debe incluir en el diseño general la producción de subproductos del proceso (granos secos de destilería (DDG), dióxido de carbono y componentes de aceite de fusel).

El tipo de materia prima elegida para la producción de etanol influye significativamente en el diseño de la planta. El etanol se produce a partir de diversos cultivos que contienen azúcar o almidón, con modificaciones en el diseño de los procesos de preparación de la materia prima. Estas modificaciones son necesarias para adaptarse a las propiedades físicas de la materia prima, así como a la naturaleza del carbohidrato (es decir, azúcar frente a almidón).

Se requiere equipo de preparación para moler, pulverizar o extraer la materia prima antes de su procesamiento. El equipo de molienda para la preparación de la materia prima varía según características como el contenido de humedad, la estructura física y el contenido de fibra.

Las materias primas que contienen almidón requieren equipos de hidrólisis que incluyen tanques, sistemas de calefacción y refrigeración, sistemas de agitación, bombas de transferencia e instrumentos de monitoreo. Antes de la hidrólisis, las materias primas ricas en almidón deben molerse hasta obtener un tamaño de partícula que pueda pasar a través de una malla de 20.

El vapor que circula a través de intercambiadores de calor es el método más común para calentar el mosto; por lo tanto, los requisitos de calentamiento para la hidrólisis del almidón deben incluirse en la capacidad de la caldera de la planta.

El enfriamiento del mosto desde el punto de ebullición hasta la temperatura de fermentación (aproximadamente 30 °C) suele ser el factor determinante en el diseño del intercambiador de calor. Esto es especialmente cierto en climas tropicales, donde la temperatura ambiente del agua de refrigeración es relativamente alta.

Los sistemas de agitación para los tanques de hidrólisis de almidón deben ser adecuados para mezclar eficazmente las soluciones viscosas (espesas) de almidón. Al calentar el almidón en agua, se forma un gel muy denso. La gelatinización del almidón es esencial para una hidrólisis enzimática eficiente. Es necesario mezclar a fondo la pasta de almidón gelificada para garantizar un intercambio de calor y una actividad enzimática eficaces.

El equipo de monitoreo para la hidrólisis del almidón incluye termómetros para medir la temperatura del mosto y del vapor, y manómetros para medir la presión del mosto si se utilizan sistemas de hidrólisis de almidón presurizados. También son necesarias pruebas para medir la eficiencia de la hidrólisis del almidón. En general, la materia prima es el elemento más importante para determinar la rentabilidad de la producción de etanol, y una hidrólisis ineficiente del almidón puede tener un impacto económico significativo en dicha producción.

Los sistemas de hidrólisis de almidón son de dos tipos generales: sistemas por lotes y sistemas continuos. Los sistemas por lotes constan de tanques cuyo tamaño se determina en función de la capacidad del tanque de fermentación y el tiempo de retención. El tanque está equipado con intercambiadores de calor, generalmente serpentines internos, que hacen circular vapor y agua de refrigeración. El mosto se agita mediante un motor con reductor de engranajes e impulsores mezcladores. Se utilizan bombas de transferencia capaces de manejar un alto nivel de sólidos para transferir el mosto de los tanques de fermentación. Con materias primas muy viscosas, el intercambio de calor y la agitación del mosto se logran bombeando el mosto a través de un intercambiador de calor externo y de vuelta al tanque. Los sistemas por lotes se operan llenando el tanque, llevando a cabo el proceso de hidrólisis enzimática en varias etapas y luego bombeando todo el volumen de mosto a los fermentadores.

Los sistemas de hidrólisis continua de almidón requieren equipos más sofisticados, pero suelen ser más eficientes. Generalmente, estos sistemas utilizan "cocedores a presión", donde el mosto y el tallo se mezclan bajo presión a temperaturas de 105 a 150 °C. El agua, la materia prima y la enzima se introducen en un tanque de premezcla a un ritmo controlado, se calientan y se bombean a presión a través del chorro. El mosto se mantiene a alta presión y temperatura durante unos minutos, luego se libera del cocedor a tanques de almacenamiento, donde se enfría y se le añade enzima adicional. Posteriormente, el mosto se transfiere a los fermentadores. La alta presión y temperatura de estos sistemas dan como resultado una gelatinización e hidrólisis del almidón más eficientes. Estos sistemas requieren calderas de alta presión y sistemas relativamente sofisticados para mantener el mosto bajo presión. El tamaño del equipo se determina en función de la capacidad del fermentador de la planta y el tiempo de residencia del mosto en los cocedores.

La fermentación se lleva a cabo en tanques equipados con agitación e intercambiadores de calor para eliminar el calor generado. El tamaño del tanque depende de la concentración de azúcar en el mosto, el tiempo de fermentación, la concentración final de etanol y la tasa de producción de la planta.

La concentración final de etanol en el mosto depende directamente de la concentración de azúcar. Dentro de los límites de la materia prima y la tolerancia de la levadura al etanol, se prefieren concentraciones más altas. La concentración máxima de etanol en el mosto es de aproximadamente el 10 % en peso/volumen. A concentraciones superiores al 10 %, la levadura muere. Generalmente, las materias primas con alto contenido de humedad y concentraciones de azúcar o almidón inferiores al 20 % pueden fermentarse sin dilución. Las materias primas con altas concentraciones de almidón o azúcar requieren dilución. El azúcar se desperdiciará si la concentración excede la cantidad necesaria para producir la cantidad máxima de etanol tolerada por la levadura.

La fermentación suele durar entre 12 y 72 horas, dependiendo de la cantidad de levadura utilizada para iniciarla y de la concentración de azúcar en el mosto. Las plantas generalmente cuentan con varios tanques de fermentación que funcionan de forma escalonada para garantizar un suministro continuo de mosto fermentado para la destilación.

Uno de los problemas más importantes en la producción de etanol, especialmente en plantas a pequeña escala, es la contaminación del mosto por bacterias. Las bacterias utilizan azúcares que, de otro modo, se convertirían en etanol. Un buen diseño de la planta y una fermentación eficiente pueden controlar la contaminación sin necesidad de recurrir a costosos sistemas de esterilización.

Los sistemas de destilación pueden ser discontinuos o continuos. La elección de uno u otro sistema depende de la escala de la planta. Ambos tipos requieren sistemas de calentamiento, generalmente vapor (que puede provenir de calderas de baja presión), una columna de destilación y un condensador.

El tamaño de la columna de destilación y la tasa de producción de etanol dependen de la concentración de etanol en el mosto fermentado, la capacidad de fermentación y los programas de producción. Las plantas a pequeña escala, con una producción anual de hasta aproximadamente 100 000 litros de etanol, pueden utilizar eficientemente sistemas de destilación por lotes. En estos sistemas, todo el volumen del mosto se introduce en un recipiente grande llamado alambique, que luego se calienta. Los vapores pasan a la columna de destilación. Si bien los sistemas por lotes son menos eficientes que los sistemas de destilación de alimentación continua, son mucho más fáciles de construir y operar.

En los sistemas de alimentación continua, el mosto fermentado se bombea a un caudal controlado hacia la columna de destilación, donde se aplica calor en la parte inferior. En la parte superior de la columna se dispone un sistema para recircular el mosto sin procesar. Las columnas de alimentación continua deben utilizarse en plantas a gran escala donde la mayor eficiencia justifica la complejidad adicional.

El uso previsto del etanol determina la necesidad de sistemas de deshidratación para eliminar el cinco por ciento de agua que no se puede separar por destilación. Si el etanol se va a mezclar con gasolina, se requiere deshidratación. La presencia de agua en las mezclas de etanol y gasolina provoca la separación de fases en los tanques de almacenamiento o de combustible. No se requiere deshidratación si el etanol se va a usar para reemplazar la gasolina. El etanol se puede usar directamente en motores modificados en concentraciones de entre el 80 y el 95 por ciento.

Los subproductos sólidos se recuperan de la vinaza mediante equipos de separación sólido-líquido. Estos equipos pueden variar desde simples tamices hasta equipos más complejos como centrífugas o filtros de vacío. La proteína soluble presente en la vinaza diluida se puede recuperar por evaporación. Si los subproductos se van a almacenar o transportar a distancias considerables, es necesario secarlos. La vinaza con alto contenido de humedad a menudo se puede utilizar directamente como alimento para el ganado en la planta de producción de etanol o en sus inmediaciones, con una mínima separación o procesamiento.

La producción de cada volumen de etanol combustible genera aproximadamente nueve volúmenes de efluente. Una parte de este efluente puede reciclarse y utilizarse para diluir materias primas de alta concentración. Sin embargo, incluso con el reciclaje, el efluente puede seguir causando un problema de contaminación significativo. Para evitar la contaminación de las aguas superficiales o subterráneas, el efluente debe someterse a degradación microbiológica; es decir, la materia orgánica nociva que contiene debe descomponerse antes de su eliminación. Esto se realiza de forma anaeróbica, aeróbica o mediante una combinación secuencial de ambos métodos. La degradación del efluente se suele llevar a cabo en una laguna de tratamiento simple, seguida de una laguna de estabilización, si fuera necesario. Como alternativa, el efluente puede alimentarse a digestores de biogás, combinando la producción de energía con el tratamiento de residuos.

La producción de etanol requiere agua, combustible para la caldera y transporte de materia prima, etanol y subproductos. Si bien se puede usar electricidad para el funcionamiento de bombas, motores de agitación, controles de proceso e instrumentación, existen numerosas plantas en todo el mundo que producen hasta 10 000 galones anuales sin electricidad. El agua es necesaria para la dilución del mosto y el enfriamiento en los intercambiadores de calor utilizados en los sistemas de hidrólisis de almidón, fermentadores y condensadores.

Las calderas utilizadas para generar vapor de proceso requieren un combustible de bajo costo y baja calidad, como gas natural, biogás, biomasa, carbón, fueloil o bagazo (el bagazo es el residuo triturado de la caña de azúcar o la remolacha azucarera). Los combustibles líquidos de alta calidad o la electricidad resultan antieconómicos e ineficientes como combustible para calderas. Finalmente, la materia prima debe transportarse a la planta, y los productos, tanto el etanol como el alimento para animales (subproducto), deben transportarse hasta el punto de uso.

The process energy requirements for ethanol fuel production vary widely depending on equipment, process design, and feedstock. The production of one liter of ethanol with a heating value of 5,625 Kcal/liter would typically require 800 to 1,200 Kcal for cooking, 1,300 to 1,500 Kcal for distillation, 800 to 1,000 Kcal for dehydration, and about 300 Kcal to operate stirring motors and pumps. The drying of by-products from the production of one liter of ethanol might require an additional 600 to 700 Kcal. The production of anhydrous ethanol and dried by-products from grain--representing the high range for process energy--would require 2,800 to 3,800 Kcal/liter. The production of 90 percent ethanol from sugar feedstock without by-product drying--representing the low range for process energy--would require 1,600 to 1,800 Kcal/liter.

The availability and the cost of utilities are critical factors both in the scale and the economics of alcohol production. Two factors have contributed to the failure of ethanol fuel projects in developing countries: (1) plants for the production of ethanol fuel were so large that the support utilities were unable to meet their energy needs; and (2) the plants were sited so far from the feedstock that transportation was not economical.

Ethanol fuel plants range in size from a few thousand liters to more than 100 million liters of annual production. The design and operation of small-scale plants can be greatly simplified by combining starch hydrolysis, fermentation, and batch distillation in multi-purpose process tanks. The plants could include one or several tanks supplying fermented mash for a single distillation column. Plants up to about 100,000 liters of annual production can be designed this way. Even larger batch plants can be considered if low-cost boiler fuel is available. With good technical assistance, small-scale batch plants can be built and operated with local, community-level resources and skills.

Greater operating efficiency can be obtained in larger plants by separating starch hydrolysis and fermentation in specially designed systems and using continuous feed distillation columns. Generally, the greater capital cost and operating complexity of this type of plant will be returned in operating efficiency. Large-scale alcohol plants require at least some employees with relatively sophisticated management and technical skills. Plant design, equipment, and construction often require resources outside the local community.

It is difficult to provide general information about ethanol fuel economics because production costs and product value depend on plant location, feedstock, production scale, and end use.

La producción de etanol incluye tanto costos de capital como de operación. Dos factores importantes en los costos de capital para plantas de lotes pequeños son los sistemas de hidrólisis de almidón y la capacidad de la caldera. En plantas grandes, la ingeniería, los sistemas de destilación y el control de procesos son relativamente más importantes. Generalmente, los costos de capital para plantas de alcohol oscilan entre $0.50 y $1 (USD) por litro de capacidad de producción anual. Según cifras de plantas estadounidenses, los costos de capital por litro de capacidad de producción anual para plantas muy pequeñas y muy grandes suelen ser mayores que los de plantas de escala intermedia (de 1 a 10 millones de litros de producción anual).

El mayor costo operativo en la producción de etanol, independientemente de la escala, es la materia prima. Para que la producción de etanol sea rentable, es fundamental contar con un suministro económico de materia prima. En plantas pequeñas, los costos laborales también pueden ser relativamente importantes.

Los costos indirectos de conversión de motores, distribución y comercialización, servicios públicos de la planta y transporte de materia prima y productos también son importantes al evaluar los costos de producción de etanol.

El valor de mercado del etanol depende de su uso final. Generalmente, el valor de mercado del etanol como combustible alternativo se mide en relación con los precios de la gasolina. El valor de mercado del etanol mezclado con gasolina puede ser superior al de la gasolina debido al mayor índice de octano de las mezclas de etanol y gasolina.

El valor de mercado de los subproductos se mide en función del precio local del pienso para animales. Este valor se suele determinar comparando el contenido proteico de los piensos.

Además de los costos de producción y el valor de mercado del etanol, otros factores también pueden ser relevantes para el análisis económico. La sustitución del petróleo importado por combustible renovable de producción nacional puede mejorar los déficits de la balanza de pagos y resultar económicamente ventajosa a pesar de los costos relativamente más elevados del etanol. Las oportunidades de empleo rural, los mercados alternativos para los productos agrícolas y la independencia energética pueden ofrecer importantes ventajas económicas, además de la rentabilidad directa de la planta.