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Revista Virtual REDESMA –Julio 2008 1

Producción de alcohol de residuos lignocelulósicos –

cáscaras de arroz (Oriza sativa)

Roque Rojas Babilonia (1)

Juan Cabanillas Aguilar (2)

Nota.- El presente artículo fue enviado por los autores expresamente para el presente número de la Revista Virtual de REDESMA.

(1) Biólogo. Ex-docente de la Universidad Nacional de Piura-Perú/Consultor Ambiental.

[email protected]

(2) Microbiólogo. Ex-docente de la Universidad Nacional de Piura-Perú/Consultor Agroindustrial.

[email protected]


Resumen Existen procesos químico-biológicos para obtener etanol de residuos celulósicos, con relativa rentabilidad para su aplicación industrial. En nuestro país (Perú) y región norte en especial, asi como otros países existen residuos celulósicos abundantes, como la cáscara de arroz y otros, rica en celulosa en un 70 %. Se planteó investigar un método rentable a nivel industrial de obtención de etanol a partir de cáscaras de arroz. El diseño de las experiencias se realizó teniendo como variables, presión y temperatura, y como constantes, la concentración de ácido y el tiempo. Como resultado se obtuvo un rendimiento de 25 litros de alcohol (etanol) de 96° G.L. a partir de 100.00 Kgrs. de cáscaras de arroz, a un costo de producción en el año 1987 aproximado de cinco intis litro (I/5.00), competitiva a la materia prima tradicional melaza. El método obtenido hace rentable la obtención de alcohol etanol a nivel industrial a partir de cáscaras de arroz y otros residuos agrícolas, forestales e industriales, pudiendo convertir al país en exportador de alcohol y/o usar este alcohol, como alcohol combustible (Gasohol). Palabras clave. Palabras clave: Alcohol, etanol, cáscaras de arroz, Oriza sativa. Abstract Chemical-biological process existent to obtain ethanol of cellulose remainders, but with relative yield for industrial application. In our country (Perú) and in the north region in specially, and others countries there are abundant cellulose and others remainders, like the cracked of rice, rich in cellulose in 70% We have research about a profitable industrial method to obtain ethanol together of cracked of rice. The design of the experiences was made having like variables the pressure and temperatures and like constants, the concentration of acid and time. As result, it was obtained a yield of 25 liters of alcohol (ethanol) of 96°G.L. beginning of 100,.00 Kg of cracked of rice, to an approximated production cost of, in 1987 of five intis by liter (I/5.00) that was competitive front to the molasses, traditional row material. The obtained method makes income yielding the obtainment of alcohol ethanol at industrial level cracked of rice, another agriculture residues, forests and industrial, able to turn the country in an alcohol exporter and/or to and can use this alcohol as fuel (gasohol). Key words: alcohol, ethanol, cracked of rice, Oriza sativa.


I. Introducción La transformación de los hidratos de carbono en bebidas alcohólicas (vinos, sidras, etc.) ha sido practicada por el hombre desde la antigüedad, utilizando como materia prima: frutos, granos, tubérculos, etc. El desarrollo industrial está conduciendo cada vez más al incremento del uso del alcohol, por la utilización de éste, directa o indirectamente para la elaboración de una serie de productos, en medicina, perfumería, textiles, disolventes, bebidas alcohólicas, combustibles, etc.; por lo cual se viene investigando nuevas fuentes de materia prima para la obtención de alcohol que sean rentables y competitivas frente a las tradicionales como la melaza, granos y derivados del petróleo. Frente a la preocupación mundial por el calentamiento global, nuestra dependencia a los combustibles fósiles no renovables con precios sobre los 100 USD/barril y en aumento, urge la búsqueda de nuevas alternativas energéticas basadas en recursos renovables, como los deshechos agrícolas, forestales, domésticos e industriales. En este camino, para la obtención de alcohol, planteamos el uso de residuos celulósicos (deshechos agrícolas, aserrín, virutas, etc.), que como sabemos, contienen del 35 al 70 % de residuos celulósicos. Ver Anexo N° 3-4: Análisis de la cáscara de arroz. En nuestro país (Perú) y zona norte hay una relativa abundancia de cáscaras de arroz y otros residuos celulósicos, que no se están utilizando adecuadamente, siendo su utilización para la producción de etanol, una importante alternativa; acorde con la actual política del gobierno nacional y regional, de impulsar la producción de etanol, a partir del cultivo de la “caña de azúcar”. En la Universidad Nacional de Piura-Perú, en el año l987, con el financiamiento de CONCYTEC (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología), se investigó un método rentable a nivel industrial de obtención de etanol a partir de cáscaras de arroz, logrando una biotecnología de producción de un rendimiento del 25 %, que proyectado al Anexo N° 1:de proyección de producción de arroz cáscara, cáscara de arroz, alcohol y valor agregado, enero a junio 2007”, da un estimado de producción nacional de 86 millones de litros de alcohol de 96° G.L y un valor agregado de 256’908,750 nuevos soles, aproximadamente 80 millones de dólares. Los resultados obtenidos han generado una gran expectativa, patentisado en consultas y pedidos de información, incluso del extranjero, conferencias, etc.; posibilidad de convertir al país en exportador de alcohol; y, la utilización de este como alcohol combustible (Gasohol). II. Materiales y Métodos 3.1 Materiales A. Reactivos: H2 SO4, CaO, SO4 (NH4)2, SO3HNa, Agar sabouraud y Probióticos. B. Equipos: Aireador, autoclave, estufa y equipo de destilación. C. Otros: Placas petri, recipientes plásticos, frascos de vidrio, cocina eléctrica, pintura,

mangueras plásticas, cilindros, cinta de pH.


3.2 Métodos Consta de tres etapas: procesamiento químico basado en los métodos de Duninng – Lathrop y Scoller – Tornesh.; procesamiento biológico, que comprende: obtención y selección de la cepa de levadura, preparación de inóculo e inoculación y fermentación; y, destilación, usando primero el equipo tradicional de laboratorio de vidrio, luego un equipo llamado pre-piloto y finalmente una pequeña planta piloto; estos dos últimos con nuestro propio diseño y asesoramiento de construcción, usando material nacional.. En términos de la Ingeniería del proceso: 1. La primera fase es la recolección de las cáscaras de arroz. 2. La segunda es el Pre-tratamiento y corresponde a un tratamiento físico que es el de moler la

cáscara hasta una granulometría de malla 1mm. Para luego pasarlo a un baño con ácido sulfúrico diluido, aplicarle temperatura para conseguir la liberación de la celulosa de la lignina y la liberación de las hemicelulosas.

3. Luego se ajustan las condiciones de trabajo (pH, tiempo, temperatura, relación sólido líquido) de la masa para ser hidrolizado por la acción de los preparados enzimáticos de celulasas.

4. Se separa el líquido con glucosa de la lignina y se acondiciona para ser fermentado por la levadura.

5. El líquido fermentado se destila para obtener alcohol de 100º GL. (para su uso como

combustible).


Y el Diagrama de conversión:

Al respeto, destacamos: Se ha logrado completar el círculo de la tecnología necesaria para convertir los residuos lignocelulósicos en etanol. Anteriormente en el sigo XX se hacia completamente la sacarificación de la celulosa por procesos químicos, pero el costo de estos procesos demostró que si bien era viable técnicamente mas no lo era económicamente, pues el costo del petróleo era muy barato. Hace 15 años atrás el barril del petróleo costaba 12 US, hoy supera los 130 USD con tendencia a seguir subiendo. Desde mediados de la década del 95 se iniciaron los primeros avances en las pruebas de producción y extracción de celulasas para su aplicación industrial y a partir del 2002 se consiguió la metodología que reduce sus costos hasta en 30 veces de lo que era antes de esta época. Siendo importante la suma de la experiencia de hidrólisis química y enzimática, el conocimiento de las celulasas, las características de la celulosa y el perfeccionamiento de los materiales de los equipos de proceso.

El uso de los residuos lignocelulósicos como biomasa-materia prima para la producción de alcohol, tiene las siguientes ventajas: • La celulosa es un recurso abundante y fácilmente disponible que se encuentra en todo tipo de

material vegetal incluidos los productos de desecho, como los tallos y las mazorcas de maíz, la pasta de madera, virutas de madera, caña de azúcar y hojas de paja y cascarilla de arroz.

• Es muy barato su costo y más bien solventa un problema de eliminación de residuos. • El uso de residuos lignocelulósicos reduciría la utilización de almidones y azucares (Maíz,

yuca, papa, remolacha, melaza, etc.), que tendrían una mejor aplicación en la alimentación humana.

HEMICELULOSA

LIGNINA

Hidrólisis Enzimática Hidrólisis Química/Enzimatica

Azucares Pentosas

Etanol, ( 1,4, Di ácidos, etc.) Energía, o derivados fenolicos


• La disponibilidad de los residuos lignocelulósicos garantiza una industria del alcohol y es sostenible por que es un recurso renovable a diferencia de los fósiles.

• Una gran ventaja de la conversión de biomasa a etanol es la compatibilidad con la protección

del medio ambiente, así como los beneficios económicos que ofrece al mundo, tanto en el presente y el futuro; en este sentido, esta industria es un gran ejemplo de la filosofía de la tecnología y el cambio que el mundo necesita para ser un lugar mejor para vivir. Una de las características de la utilización de la biomasa es que, al contrario de lo que ocurre con los productos derivados de las materias primas fósiles (no renovables), presenta un balance de CO2 neutro desde el punto de vista medio ambiental; es decir, que la cantidad de CO2 que se libera a la atmósfera al final del ciclo de vida de los productos es idéntica a la cantidad de CO2 previamente captada durante la formación de biomasa.

• Otra ventaja es el uso de capacidad productiva no utilizada en agricultura e industria forestal. • La revitalización de las economías rurales mediante la producción y el procesado local de

fuentes de materias primas renovables, y el consiguiente desarrollo más equilibrado entre áreas urbanas y rurales.

• Mayor facilidad para lograr un desarrollo económico ambientalmente sostenible mediante el

uso de materias primas renovables y la disminución de las emisiones netas de CO2

a la atmósfera.

• La seguridad nacional: por menor dependencia exterior, tanto energética como de fuentes de

materias primas. IV. Resultados

1. El líquido obtenido en el procesamiento químico, llamado hidrolisado o mosto, presenta una concentración de 20 % de glucosa.

2. La cepa de levadura obtenida y seleccionada es Saccahromyces cerevisiae, realiza la

fermentación en 48 horas y es resistente al bisulfito de sodio y concentraciones de alcohol de 14° G.L.

3. El líquido obtenido a las 48 horas de fermentación tiene una concentración de alcohol del 7 %. 4. Cien Kgrs. de cáscaras de arroz producen 50 Kgrs. de glucosa y este 25 litros de alcohol de

96° G.L. 5. El costo de producción estimado a nivel de planta piloto en el año l987 fue de I/5.00 el litro. 6. Los análisis químicos del alcohol etílico obtenido demuestran su buena calidad y garantizan su

uso, incluso como bebida alcohólica (Ver Anexo N°2: Certificado de Análisis del Alcohol obtenido).

7. El diseño de las experiencias se realizó teniendo como variables, presión y temperatura, y

como constantes la concentración de ácido sulfúrico y el tiempo. 8. A nivel de planta piloto se ha obtenido rendimientos del 25%, es decir por cada tonelada de

materia prima (cáscaras de arroz) se han obtenido 250 litros de alcohol etanol de 96° G.L. a un costo de producción prometedor.


V. Conclusiones generales sobre los proyectos de Bioetanol

1. No cabe duda que la obtención de energía y biocombustibles a partir de biomasa, por su abundancia y sostenibilidad, es una alternativa viable y un hecho comercial actual.

2. Al haberse demostrado la viabilidad económica, en la actualidad países como Brasil, China,

EEUU, India y la UE, están avanzando aceleradamente en este proceso. 3. Países con características similares al Perú y otros relativamente pobres en recursos fósiles,

deben apoyar iniciativas e investigaciones como la presente. 4. Cualquier esfuerzo que se haga en esta línea es un esfuerzo a contribuir al desarrollo

sostenible del país, recurriendo a formas de energía que no compiten con el uso de tierras para la producción de alimentos.

VI. Conclusiones de las experiencias realizadas en la Universidad Nacional de Piura-Perú en el año 1987

1. Los materiales usados y el método encontrado hacen factible obtener alcohol etílico a partir de cáscaras de arroz.

2. La abundancia de cáscaras de arroz y otros residuos lignocelulósicos en el país y en el

mundo, así como su escaso uso y bajo costo, los convierten en excelentes y prometedoras materias primas alternativas a la tradicional “melaza”. Mucho más, hoy que se impulsan los BIOCOMBUSTIBLES como alternativa energética, con todas las ventajas que significa aprovechar los deshechos lignocelulósicos.

3. La infraestructura a implementar para la producción de alcohol etílico a partir de cáscaras de

arroz no es compleja y no necesita mucha inversión, pues los costos de producción - incluso poniendo un precio a la materia prima (cáscaras de arroz)- permiten mantener un buen margen de rentabilidad. Además, los costos de producción pueden reducirse aprovechando la gran cantidad de CO2 producido, factible de usarse en otra rama industrial conexa a la planta. Adicionalmente, esta producción puede ser complementaria a la que se realiza en una planta de producción de alcohol a partir de caña de azúcar u otro.

4. Los costos estimados de producción en el laboratorio y planta piloto, demuestran la

rentabilidad de obtención de alcohol etílico a partir de cáscaras de arroz a nivel industrial lo que la hace altamente competitiva frente a la materia prima tradicional “melaza”.

5. Los costos de producción de este alcohol y el mercado nacional e internacional, hacen de esta actividad a partir de las lignocelulosas, una actividad rentable, sobre todo si se tiene en cuenta que actualmente el mayor porcentaje de alcohol es obtenido por fermentación y destilación de materia prima tipo melaza u otros carbohidratos que por sus múltiples usos, están elevando cada vez más sus costos de producción.

6. Considerando los costos de producción de este alcohol etílico, tiene una gran proyección para

su utilización en un futuro cercano como alcohol combustible (GASOHOL) que actualmente utilizan muchos vehículos motorizados en Brasil, y sabemos que en el país se viene investigando este uso.

7. La aplicación industrial de esta biotecnología de producción de alcohol, podría convertir a un

país, de importador en exportador de alcohol, con todos los beneficios que de ello se derivan. 8. Como propuestas de acción al respecto, planteamos:


a. La creación del Programa Nacional de Biocombustibles y el Subprograma de Biomasa, lo cual permitiría no sólo visualizar explícitamente la importancia estratégica del tema, sino concentrar los esfuerzos dispersos que actualmente puedan estar realizándose en otras áreas con respecto a este tema. En efecto, dentro del subprograma se incluirían todos los eslabones de la cadena del valor de la biomasa (cultivo, recolección, almacenamiento y transporte, fraccionamiento, conversión en energía y bioproductos diferentes de los de uso alimentario, lo que permitiría la creación de equipos multidisciplinares para abordar el tema en su integralidad.

b. Análisis nacional y regional de biomasa, su uso y potencialidad para sustentar una

economía basada en biomasa. El objetivo de un estudio de este tipo sería evaluar qué potencial tienen las tierras disponibles para suministrar biomasa y qué proporción de consumo de petróleo podría desplazar.

VI. Discusiones

El consumo de alcohol es grande en nuestro país y sabemos que hay déficit de producción, lo que está haciendo que el país importe alcohol. Con la producción de alcohol etanol a partir de cáscaras de arroz se presenta la posibilidad de abastecer a nuestro mercado nacional y exportar. Por ejemplo, de acuerdo al Anexo N° 1: Proyección de producción por departamentos de arroz cáscara, cáscara de arroz, litros de alcohol y valor agregado, enero a junio 2007 Peru: 1. Total producción arroz cáscara = 1’712,726 TM

• Total materia prima (cáscaras de arroz) 20% de 1’712,726 TM = 342,545 TM de cáscaras (teniendo en cuenta que aproximadamente

el 20% del arroz cáscara, es cáscara). • Total producción de alcohol aplicando nuestra biotecnología que tiene un rendimiento del

25%, 25% de 342,545 TM= 85’636,250 litros de alcohol etílico de 96° G.L. o más. • Total de Valor agregado a la producción de arroz cáscara= 256’908,750 nuevos soles,

aproximadamente 85’ de USD. 2. Los resultados obtenidos han generado una gran expectativa, patentisado en las consultas y

pedidos de información, incluso del extranjero, conferencias, etc., todo lo cual vislumbra la concretización de llevar esta biotecnología a producción industrial.

3. El precio de los bioproductos, y por tanto su aceptación generalizada, dependerá en gran

medida de dos factores importantes: a. El coste de las materias primas a partir de las cuales se fabrica el bioproducto. b. El coste de procesado para convertir la materia prima en el producto deseado.


VII. Referencias bibliográficas

Doornbosch, Richard Ronald Steenblik, 2007. Biofuels: Is the Cure Worse than the Disease?, OECD, Paris, France. Carl – Moller 1981. Química Orgánica. Editorial Interamericana. 3era. Edición. Cellulose Technology Research. 1975. A.C.S. Symposium series. Edited by A. F. Turbock. Cellulose as a chemical and energy resource. Edited by C. R. Wilke. Biotech. Bioeing. Symposium. Series N° 5. Interscience. Collantes Abellaneda A. 1963. Estudio químico bromatológico de residuos industriales de arroz, café, provenientes de las Prov. De Jaén y Bagua. Tesis Universidad Nacional de Trujillo – Perú. Doyle - Neckers. L980. Química Orgánica. Compañía Editorial Continental. Folkehag, S. T. 1976. Lignin in materials in proceding of the eighth cellulose conference. E. T. Timell. Edit. Interscience. George T. TSAO. 1978. Fermentation substrates from cellulosic materials production of fermentable sugars from cellulosic materials. Annual Reports Fermentation Processos. Vol. 2. Academic Press Inc. Giordani, M. 1962. Química e Industria. 2da. Edición. Jorgensen Hansen. 1968. Microbiología Industrial. Editorial Acribia. Tercera edición. OCHOA, G. J. 2007. Industria química basada en biomasa implicaciones tecnológicas. Fundación LEIA CDT. España. Prescott, W. 1963. Microbiología Industrial. Editorial Acribia. Tercera edición. Susuky, E. 1956. Estudio químico bromatológico de las cáscaras de Oryza sativa. Tesis Univ. Nac. De Trujillo. Trujillo – Perú. Winnacker – Weingaertner. 1963. Tecnología Química. Tomo V.


ANEXOS

ANEXO N°1: PROYECCION DE PRODUCCION POR DEPARTAMENTOS DE ARROZ CASCARA, CASCARA DE ARROZ, LITROS DE ALCOHOL Y VALOR AGREGADO,

Enero a junio 2007 Peú

DEPARTAMENTOS

TOTAL HA ARROZ CASCARA Y PRODUCCION

TM (1)

TOTAL TM CASCARA DE

ARROZ (2)

TOTAL LITROS

ALCOHOL (250 L/ TM)

TOTAL EN SOLES

ALCOHOL (S/3/L)

Tumbes 7027=52454 10491 2’622,750 6’868,250 Piura 32563=302174 60435 15’108,750 45’326,250 Lambayeque 35234=305052 61010 15’252,500 45’757,500 La Libertad 29298=279723 55945 13’986,250 41’958,750 Cajamarca 15098=115517 23103 5’775,750 17’327,250 Amazonas 17240=125631 25026 6’256,500 18‘769,500 Ancash 3067=23155 4621 1’155,250 3‘465,750 Lima 5=25 5 1,250 3,750 Ica 0=0 0 0 0 Huánuco 5702=17423 3485 871,250 2’613,750 Pasco 1601=2404 481 120,250 360,750 Junín 1499=4683 938 234,500 703,500 Huancavelica 0=0 0 0 0 Arequipa 16928=216231 43246 11’243,900 33‘731,700 Moquegua 0=0 0 0 0 Tacna 0=0 0 0 0 Ayacucho 465=826 165 41,250 123,750 Apurímac 0=0 0 0 0 Cusco 2495=3155 631 157,750 473,250 Puno 374=534 107 26,750 80,250 San Martín 33439=219243 43849 11’962,250 35‘886,750 Loreto 6183=19536 3907 976,750 2’930,250 Ucayali 7630=17766 3553 888,250 2’664,750 Madre de Dios 4,217=7195 1439 359,750 1’079,250 TOTAL NACIONAL

220064=1´712726 342545 85’636,250 256’908,750

(1) Fuente: Estadística Agraria Mensual. Junio 2007. Ministerio de Agricultura.

(2) Calculado teniendo en cuenta que de una tonelada de cáscara de arroz el 20 %

aproximadamente es cáscara de arroz.


ANEXO N° 2: CERTIFICADO DE ANALISIS N° 3259/87 DEL ALCOHOL OBTENIDO


ANEXO N° 3: CERTIFICADO DE ANALISIS N° 3257/87 DE LA CASCARA DE ARROZ


ANEXO N° 4: CERTIFICADO DE ANALISIS N° 3258/87 DE LA CASCARA DE ARROZ HIDROLISADA

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