PROCESOS DE LA PRODUCCION DE ALCOHOL

ETILICO, PARA LA OBTENSION DE

ALCOHOL ANHIDRO O CARBURANTE

El mundo busca soluciones en el Etanol

Ing. Carlos Vèliz Cevallos

                                                                                                    

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PRODUCCION PRODUCCION DE ALCOHOL ETILICODE ALCOHOL ETILICO

El proceso de elaboración del Etanol podríamos decir que empieza con el abastecimiento de la materia prima que convenientemente preparada se la somete a fermentación alcohólica por vía bioquímica, este proceso puede ser realizado de diversas formas, entre los más comunes están con recuperación de levadura y sin recuperación de levadura.

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Materia Prima

Las materias primas más utilizadas y económicas, son las que se originan en la caña de azúcar:

Jugo, miel A, miel B, y melaza; utilizándose más extensamente el jugo y la melaza considerada un residuo de los ingenios azucareros y de la cual se puede obtener un buen porcentaje de alcohol.

La melaza es un líquido denso de coloración obscura y su composición es muy variable de acuerdo con la variedad de la caña, la edad, sanidad, maduración, quema, etc.

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Generalmente la melaza tiene un promedio de 80º Brix, la riqueza de azúcar total, su mayor parte es fermentescible, sacarosa, glucosa, y fructuosa. Las reacciones que se producen en el medio producen grandes proporciones de ácidos orgánicos que perjudica el desenvolvimiento de la fermentación originando lo que nosotros en producción conocemos como el poder tampao, requiriéndose según su variación la utilización de mayor o menor volumen de ácido sulfúrico para su corrección.

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Una buena melaza puede tener un promedio de 52,13 a 56% de azúcares totales, un pH de 5,5; cenizas 8,5 a 10%.Entre los parámetros principales de la melaza consideramos: La densidad de la melaza: 1,34 sólidos totales, brix, agua, sacarosa, glucosa, fructuosa, azúcares reductores, azúcares infermentescibles, azúcares no fermentables, ceniza, sodio, potasio, calcio, fósforo, sulfato residual, cloruro, ácido pantotènico, hierro, silicio, magnesio, proteína cruda, total de nutrientes digeribles, proteína digerible, tiamina, riboflavina, niacina.

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En la melaza es importante también conocer el grado de infección que tiene, normalmente este es medido en bast./ml. Un valor de 1 a 5 X 105

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JUGO DE CAÑAJUGO DE CAÑA

Normalmente el jugo de caña se lo utiliza para la producción de azúcar por ser más rentable, pero, no necesariamente debe ser así y, existiendo en el país grandes extensiones de cultivos de caña, además extensiones de terrenos sin uso, estos podrían ser utilizados para la siembra de la caña constituyéndose en una gran oportunidad para los pequeños y medianos productores los que debidamente financiados podrían ser productores de alcohol carburante, el jugo de caña como lo hemos dicho es una excelente materia prima

para la producción de etanol ésta, bien manejada desde la molienda, (solo se requiere uno o dos juegos de molinos, incluso podrían ser molinos artesanales en paralelos) puede generar índices de conversión que son interesantes en la producción de alcohol, ésta varía de acuerdo con muchos factores como la variedad de caña de azúcar, estado de maduración, fertilización, riego, almacenamiento, extracción, etc. esto no sería un mayor impedimento para los cañicultores que han venido produciendo caña orgánica y que es de excelente calidad.

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Los componentes principales del jugo de caña son:Densidad del jugo : 1,07Brix a 20ºC : entre 14 y 16ART, pH, sulfitos, Acidez sulfúrica, sólidos suspendidos, sólidos suspendidos en el mosto

Debido al brix del jugo y a su alto contenido de azúcares, el manejo es muy delicado y se lo tiene que hacer siguiendo y cumpliendo con recomendaciones muy puntuales, porque de no hacerlo la fermentación y degradación del mismo es inevitable.

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Además de lo descrito para esta materia prima, es importante tener en cuenta los procesos de producción y almacenamiento y lo mejor en cada caso es que la materia prima producida sea consumida total o parcialmente. La preparación de los mostos debe ser realizada teniendo en cuenta su composición y variabilidad para ubicarlos dentro de ciertas características de un sustrato ideal, deberíamos tener mucho cuidado para la obtención de un mosto ideal: El control del brix y azúcares totales, acidez total, pH, control de las sales minerales, los compuestos nitrogenados, especialmente en forma amoniacal, vitaminas, temperatura, antisépticos.

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Hay que considerar también que es muy importante observar el contenido de azúcares en el mosto, y los nutrientes que se deban agregar para una buena fermentación.

En lo referente a nutrientes normalmente se recomienda la adición de superfosfato triple 80 mg/litro de mosto ò superfosfato simple 180 mg/litro de mosto, en cuanto al nitrógeno se recomienda la adición de sulfato de amonio 100 mg/litro de mosto, el jugo de caña debe ser tamizado para evitar que el bagazo ò

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bagacillo produzca infecciones en el momento de la fermentación y evitar taponamientos en las centrífugas.Estas son las dos principales materias primas utilizadas en nuestro medio y en muchos países donde la caña de azúcar presenta la mejor alternativa económica para la producción de etanol. También se pueden utilizar como materia prima varios granos pero, implican procesos adicionales y las eficiencias son variables y menos económicas, entre ellos el maíz, trigo, los que primeramente se someten a un proceso de limpieza, pasando a la molienda seca para obtener harina, luego es calentado y licuado en agua caliente, vapor condensado, vinaza recirculada, etc. posteriormente

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pasa a la fase de sacarificación, se corrige el pH, se le adecua a una temperatura de 30ºC aproximadamente y se lo somete a fermentación.

Entre otras materias primas podemos citar la remolacha, la yuca, el plátano y en fin cualquier material verde así como los desechos agrícolas y basura que contenga materia orgánica que puedan ser sometidas al proceso de hidrólisis de la celulosa en forma encimàtica y ácida para transformarla en etanol.

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Todas estas materias primas vistas son sometidas tradicionalmente al proceso de fermentación, aunque en la actualidad se están proponiendo otros métodos como el de segregación molecular que fragmenta la biomasa separando las proteínas del almidón fibras etc. Siendo la producción de alcohol etílico rectificado, alcohol etílico anhidro, y alcohol etílico crudo los productos finales de nuestra actividad deberíamos tener en consideración otro de los aspectos importantes de la producción que es la fermentación alcohólica.

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Fermentación AlcohólicaFermentación Alcohólica

Para que la fermentación alcohólica pueda desenvolverse rentablemente es necesario que el mosto azucarado sea inoculado con levadura que son los microorganismos responsables de la fermentación, la mezcla del mosto y la levadura dan inicio a la fermentación alcohólica. De los aspectos importantes de este proceso podemos distinguir varias fases de la fermentación, conducción, formación de productos secundarios, accidentes de la fermentación, rendimiento, etc.

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Las fases de la fermentación alcohólica van determinando la intensidad de la producción de CO2 , alcohol y el desprendimiento de calor que van desarrollando en la fase preliminar principal y en la etapa post fermentativa.Para la producción de alcohol, es de alta importancia seleccionar el género, la especie, variedad y raza de levadura, esta pueden ser seleccionadas del medio con buenos resultados; factores que ayudan al desenvolvimiento y multiplicación de la cepa, la alimentación de azúcar en el mosto al inicio de la fermentación debe ser lenta, se debe controlar el pH, la concentración de sales

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nutritivas, mantener la temperatura del mosto, preparándonos de esta manera para la fermentación propiamente dicha, pudiéndose registrar un incremento de volumen por la producción de espumas en el tanque fermentador hasta de un 20% que en muchos casos originan derrames, es necesario agregar suficiente antiespumante. La ultima fase de la fermentación se caracteriza por que es justamente allí cuando se produce la mayor parte de las infecciones y de alcoholes superiores que constituyen la mayor parte del aceite de la caña, es por esto que esta fase debe ser la más breve posible y cuando el brix se repite en dos horas

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seguidas es recomendable su destilación. Los principales factores que controlan la actividad y la eficiencia de la fermentación son:

1.1. La Concentración de AzúcaresLa Concentración de Azúcares.- Esta depende de la calidad del alcohol que desea obtener, se puede ir incrementando tratando de no sobrepasar el límite donde puede convertirse en un inhibidor de la fermentación, ò que las concentración de alcohol se puedan convertir también en un factor de pérdidas de azúcar, entonces debemos tener cuidado de la selección de la levadura ha utilizarse.

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2.2. Agitación.- Agitación.- La agitación dentro del fermentador o la turbulencia del mosto es importante para mantener a las células de la levadura en suspensión aumentando la superficie de contacto.

3.3. pH.-pH.- Considerando que la levadura se desenvuelve perfectamente en medios ácidos, el mosto debe tener suficiente ácido para evitar el desenvolvimiento de las bacterias

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4.4. La temperatura.-La temperatura.- durante el proceso de la fermentación es importante el control de la temperatura, podríamos de acuerdo con la experiencia manejarlos con temperatura entre 28 y 34ºC. considerando que a temperatura más baja obtendríamos alcohol menos contaminado y a temperatura más alta tendríamos la formación de producción de sustancias contaminantes del alcohol u otros alcoholes.

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5.5. La Luz.-La Luz.- Es necesario que para la reproducción de la levadura se recomienda suficiente luz, de preferencia luz natural, pero en el proceso fermentativo es deseable la ausencia de luz aunque industrialmente se lo puede hacer en presencia de luz.

6.6. OxigenoOxigeno.- El oxígeno es necesario para la multiplicación de la levadura, pero en el proceso fermentativo no es requerido, ya que la levadura se desarrolla en ambiente cerrados.

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7.7. Elementos mineralesElementos minerales.- Los elementos minerales son esenciales para el desenvolvimiento de la levadura, el fósforo, azufre, hierro , magnesio, calcio, como nutrientes esenciales el nitrógeno como sulfato de amonio.

8.8. VitaminasVitaminas.- principalmente se ha utilizado la vitamina B1 para acelerar el curso de la fermentación.

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9.9. Calidad y cantidad de levadura.-Calidad y cantidad de levadura.- En cuanto a la calidad, en el mercado existen muchas cepas de levadura alcohólicas cuyo desenvolvimiento como lo dijimos antes está dado por el medio, y podríamos decir que para un desarrollo normal de fermentación se podrían utilizar 50 x 109 células por litro de mosto hasta concentraciones de 450 x 109.

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10.10. Preparación de la levadura alcohólica.-Preparación de la levadura alcohólica.- de acuerdo con las características de la levadura la preparación es diferente estos pueden utilizarse desde cultivos que tardan en su multiplicación hasta dos semanas, y levaduras en polvo ò prensados que pueden trabajar casi inmediatamente. Muy pocas destilerías están utilizando el desarrollo a través de equipos de multiplicación pura, este de aquí es muy costoso.

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PROCESO DE PRODUCCION DE ALCOHOL PROCESO DE PRODUCCION DE ALCOHOL ANHIDRO A PARTIR DE VINOANHIDRO A PARTIR DE VINO

Con el vino en el pulmón se inicia el proceso de destilación, bombeando hacia la planta de destilación, siendo su primer paso el ingreso a la columna destrozadora (CD), que trabaja con sistema a vacío, aquí es separado el alcohol del vino; por medio de diferencias de puntos de ebullición, se transforma en vapor alcohólico, luego es condensado por medio de intercambiadores de temperatura.

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A esta columna ingresa además, agua tratada y vapor, que es la forma de calentamiento general de la planta y como desecho obtenemos la vinaza, la que se entrega, una parte para los Municipios, otra para riego y fertilización de canteros, la restante es tratada en la piscina de oxidación pero, es muy importante considerar la vinaza como un fertilizante ideal conjuntamente con el bagazo para abonar los terrenos de cultivo.

El vapor utilizado es generado por calderas, estas calderas necesitan agua, que previamente ha sido tratada en la planta, mediante un proceso de filtrado y ablandamiento.

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El alcohol sale de esta columna (CD) a 90ºGL, pasa a la columna hidroselectora (CI), donde es lavado e hidratado con flegmasa de columna CR.

El alcohol hidratado de CI pasa por la columna rectificadora (CR), aquí no se extrae contaminantes, alcohol resultante debe tener mínimo 95ºGL. De CR pasa a la columna (CM), la misma que realiza un trabajo de eliminación de agua para poder llevar el alcohol a 99ºGL, como mínimo, en este sistema se trabaja a presión atmosférica. Para complementar este trabajo se utiliza la columna CO, para concentrar

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ciclohexano que es el elemento que sirve como medio de captación del agua presente en el alcohol; por medio de controles se mantienen las temperaturas adecuadas para este proceso entre estas dos columnas y un decantador o separador donde se observan los niveles de control. Todo este proceso se realiza para obtener como producto final el alcohol anhidro ò alcohol carburante.

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TIEMPOS DE ARRANQUES DE PROCESO

Desde el arranque de proceso transcurre un tiempo de diez horas, si se inicia con equipos vacíos, pero si se realizan cambio de bridas en CM habiendo producido antes alcohol etílico, tarda seis horas en obtener producción de alcohol anhidro.

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PROCESO DE PRODUCCION DE ALCOHOL PROCESO DE PRODUCCION DE ALCOHOL ETILICO ANHIDRO A PARITR DE ALCOHOL ETILICO ANHIDRO A PARITR DE ALCOHOL

CRUDOCRUDO

Con la materia prima alcohol crudo se inicia el proceso de destilación bombeando desde almacenamiento hacia la planta de destilación, siendo su primer paso el ingreso a la columna hidroselectora (CI), donde es lavado e hidratado.

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El alcohol hidratado de CI pasa a la columna Rectificadora (CR), aquí no se extrae contaminantes, el alcohol resultante debe tener mínimo 95º GL. De CR pasa a la columna (CM), la misma que realiza un trabajo de eliminación de agua para poder llevar el alcohol

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a 99.80ºGL, en este sistema se trabaja a presión atmosférica. Para complementar este trabajo se utiliza la columna (CO) que concentra el ciclohexano eliminando el agua.

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TIEMPO DE ARRANQUE DE PROCESO

Desde el arranque de procesos transcurre un tiempo de ocho horas, si se realiza cambio de bridas en columna CM. habiendo producido antes alcohol etílico.Si el sistema se encuentra cargado, el tiempo transcurrido para producir alcohol anhidro es de seis horas.

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Para la producción del alcohol carburante entre otros se han considerados las siguientes opciones:

1. Ciclo-hexano (CH) que actúa como agente azeotròpico.

2. Mono etileno glicol (MEG), como agente arrastrador.

3. Tamiz molecular (TM)

4. Pervaporation (PV)

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PLATOS DE LA DESTILERIA PLATOS DE LA DESTILERIA CAPACIDAD: 20.000 a 25.000 LITROS/DIACAPACIDAD: 20.000 a 25.000 LITROS/DIA

SECCION PLATOS

COLUMNA C1

DESTROZADORA DE VINO

DESTROZADORA

CONCENTRADORA

24

14 38

COLUMNA C2

HIDROSELECTORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

40

22 62

COLUMNA C3

RECTIFICADORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

18

54 72

COLUMNA C4

DESMETILIZADORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

38

9 47

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PLATOS DE LA DESTILERIA PLATOS DE LA DESTILERIA CAPACIDAD: 30.000 a 35.000 LITROS/DIACAPACIDAD: 30.000 a 35.000 LITROS/DIA

SECCION PLATOS

COLUMNA CD

DESTROZADORA DE VINO

DESTROZADORA

CONCENTRADORA

24

12 36

COLUMNA CI

HIDROSELECTORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

40

11 51

COLUMNA CR

RECTIFICADORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

20

52 72

COLUMNA CM

DESMETILIZADORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

22

26 48

COLUMNA CO

DESMETILIZADORA

AGOTAMIENTO

RECTIFICACION

20

13 33

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TRATAMIENTO DEL JUGO PARA INGENIO AZUCARERO

MOLINOS

Jugo 15ºART

SulfitaciònLechada

de calAlcalinizaciòn

Jugo 12ºVAPOR ART Filtrado Jugo 14º

ART

Calenta - De 13ºmiento Jugo para a 15º

destilerìa ARTJugo Clarificaciòn Tamizado de TANQUE 90º C

93ºC a 110ºC jugo clarific.Jugo para

Cachaza azùcar

JugoFiltrado

1

1

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JUGO IDEAL PARA ALCOHOL SIN SULFITAR Y SIN ENCALADO

MOLINOS

Jugo Mixto13 a 16º ART

Tamiz de jugo

Calentado 90ºCTanque de Destilerìa

Sin calentar para Jugo p' envioconsumo inmediato

Tanque homo Agua Levadura Levaduragenizador Tratada Rec.

Melaza

Diluidor Mosto Fermentacion Vino Alcoh. Centrìfugas Vino 7ºGL30ºC 13 a 16º ART Levadurado

10% levadura PulmònM i e l de vino

Vinaza CO2 Destilaciòn

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ALCOHOL CARBURANTE

Tanque Vino 7ºGLPulmòn

Columna Vinazadestrozadora

Alcohol crudo 90 a 95ºGL

Alc. Hidrat. sin Alc.Hidratado Alc.Hidratado Alc. Hidratado Alc. Hidratadorectifi 90 a 95ºGL Col. Rectificado Rectificado Rectificado Rectificado

Retorno Columna Mono Etileno Tamiz PervaporaciònCiclohexano Glicol Molecular

Columna Separad. Alcohol Anhidro Alcohol Alcohol Alcohol Ciclohexano alc. 99,8ºGL Anhidro 99.8ºGL Anhidro Anhidro

Agua Almacenamiento

RESUMEN

En los procesos productivos se debe tener presente los siguientes términos y valores:

Materia Prima directamente fermentable:

Glucosa y fructuosa presente en la pulpa de las frutas, sacarosa, caña de azúcar y derivados, remolacha azucarera, sorgo.

Materia Prima indirectamente fermentable:

Almidón: constituido por yuca, maíz, camote, granos de cebada, tubérculo, banano.

Celulosa: madera, bagazo, paja de caña, paja de arroz, palma, etc.

Sacarificación.- Es el proceso para convertir el almidón o la celulosa en azúcares fermentables y se lo puede hacer utilizando ácido sulfúrico ò clorhídrico, o por medios biológicos con enzimas.

Composición del jugo.- Azúcares, sacarosa, glucosa y fructuosa .

Sales inorgánicas, orgánicos, aminoácidos.

Otros no azúcares.- proteínas, almidones, gomas, ceras, grasas, etc.

Brix.- El brix está representado por sólidos soluble (sacarosa), los azúcares reductores y otros componentes.

Azúcares Reductores.- glucosa y fructuosa.

No azúcares orgánicos.- Son las materias nitrogenadas, grasas y ceras, pectinas, ácidos libres y combinados.

No azúcares inorgánicos.- Son las cenizas compuestas por silice, potasio, fósforo, calcio, sodio, magnesio, azufre, hierro, aluminio, cobre, zinc

Algunos valores prácticos considerados tenemos:

1 Ha. = 70 ton. caña = 67 l de alcohol1 ton. caña aprox. = 100 l de jugo1 l de alcohol etílico requiere entre 14 y 18 l de jugo dependiendo de su contenido de ART.

En términos prácticos referencial del 1% de azúcar fermentescibles obtendríamos 0,54 en volumen de alcohol.

1 Ha. = aprox. A 25 ton. de yuca

1 Ton. de yuca puede producir 170 l de alcohol

1 Ha. Camote = 25 ton. camote

1 Ton. camote = 120 l. de alcohol

1 Ha. = 3 ton. maíz

1 Ton. maíz = 300 y 400 l. de alcohol

1 Ha. Terreno = 35 ton. sorgo

1 Ton. sorgo = 55 l. de alcohol

ART de la melaza entre 48 y 56%

Brix de la melaza entre 78 y 82º Brix

pH de la melaza 5.5 , 5.7

Sulfitos en la melaza menor a 100 ppm.

1 gl. De melaza = 1,25 l. de alcohol

0,80 gl melaza = 1 l de alcohol etílico

1 gl melaza = 18,75 l. de jugo

1 gl melaza = 1,2 l de alcohol anhidro

1 gl melaza = 1,3 l de alcohol crudo

Sulfitos del jugo menor a 80 ppm.

1 ton. de caña = 5.7 gl de melaza

1 ton. de caña = 2 qq. de azúcar

15 l de jugo = 1 l de alcohol etílico

1 l. de alcohol anhidro = 15,5 l de jugo de caña

15 l de jugo = 1,04 l de alcohol crudo

13 lbs. De vapor/l de alcohol anhidro

11 lbs de vapor/ l de alcohol etílico

3,5 lbs. Vapor/l de alcohol crudo

0,22 a 0,24 kw/l de alcohol anhidro

0,14 a 0,16 kw/l de alcohol crudo

0,18 a 0,20 kw/l de alcohol etílico

11 a 13 l de vinaza/l de alcohol

Como combustible el alcohol anhidro puede se utiliza en diferentes proporciones como se puede apreciar.

A parte de los combustibles tradicionales existen otros tipos de combustibles alternativos, los mas utilizados són:

E5: Es una mezcla de nafta súper sin plomo con 5 % de etanol anhidro (se entiende por etanol anhídrico al que tiene el 99,5 % como grado de hidratación).

GASOHOL (E10): Es una mezcla que contiene 90% de nafta súper sin plomo y 10% de etanol anhidro por volumen.

ALCONAFTA (E15): Es una mezcla que contiene 15% de etanol anhidro y 85% de nafta súper volumen.

E85: Es una mezcla que contiene 85% de etanol anhidro y 15% de nafta súper sin plomo por volumen.

E93: Es una mezcla que contiene 93% de etanol anhidro, 5% de metanol anhidro y 2% de kerosén por volumen. E95: Es una mezcla que contiene 95% de etanol anhidro y 5% de nafta súper sin plomo por volumen.

E100: Es etanol anhidro al 100%. ETBE (ethyl tertiary butyl ether): Es un

aditivo que oxigena la nafta ayudando a una combustión más limpia. Se puede añadir a la nafta hasta un 17% del volumen.

M85: Es una mezcla que contiene 85% de metanol anhidro y 15% de nafta súper sin plomo por volumen. Se utiliza en motores originalmente diseñados para gasolina.

M100: Es metanol anhidro al 100%. Se utiliza en motores diseñados originalmente diesel.

MTBE (methyl tertiary butyl ether): Es un aditivo que oxigena la nafta, reduciendo la emisión de monóxido de carbono.

GRACIAS POR SU ATENCION