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Sistema Sustentable Para La Producción de Butanol a Partir de Residuos Orgánicos Extenso
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE
YUCATAN
Facultad de ingeniería Química
Sistema sustentable para la producción de butanol
a partir de residuos orgánicos
Reto: Energía.
Integrantes:
Niní Ortiz Vales
Angel Eduardo Huchim Cervantes
Andrea Medina Arjona
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Introducción
La producción de energía en México se encuentra en crisis. Las ganancias generadas a
partir de la venta de los barriles de Petróleo crudo en el año 2014 colocó a México
como el décimo país productor de Petróleo .Sin embargo en el lapso de tiempo de diez
años la producción del Petróleo crudo ha tenido una caída del 76.8 por ciento al año
2014 2 .Esta es un cifra muy alarmante y es un grave indicador del grave problema
energético que estamos afrontando .
La caída de la producción de Petróleo crudo ha generado consecuencias severas para
el suministro interno de éste en el Sistema Nacional de Refinación (SNR) afectando la
producción de gasolina en el país a tal grado que se ha tenido que importar un volumen
de gasolinas mayor al que se produce.1 Solo en el año 2014 la producción de Petróleo
crudo obtenida en el yacimiento Cantarell tuvo una disminución del 22% .1
Esto es un grave problema que nos afecta a todos como nación, debido a que el
Petróleo es un recurso natural limitado necesario para la producción de combustibles
como la gasolina, que son indispensables para satisfacer las necesidades energéticas
de diferentes sectores, por lo que nos encontramos obligados a hallar una fuente de
energía alterna que sea capaz de sustituir o disminuir la demanda de este combustible
en forma sustentable y amigable con el medio ambiente . 2
Planteamiento
El petróleo es un recurso natural no renovable que se extrae de pozos muy profundos
y su extracción requiere una inversión económica muy alta. El precio de la gasolina se
ve afectado por el aumento en la inversión para obtener esta materia prima y por su
importación, debido a que se necesitan yacimientos que se encuentran a mayor
profundidad para cumplir con la demanda energética ; esto genera un impacto
negativo en la economía mundial y consecuencias desastrosas para el medio
ambiente.2
3
Entre las soluciones que se han propuesto para satisfacer la demanda energética de
esta mezcla de hidrocarburos , es la producción de biocombustibles; esto se logra
utilizando fuentes vegetales ricas en carbohidratos y compuestos orgánicos . En
nuestro país el consumo de maíz forma parte de la base de la alimentación, pero en
otros países , el maíz es utilizado como fuente de carbohidratos para la producción del
bioetanol , por tal motivo no es posible utilizar este recurso por que se cae en el debate
de Comida vs. Combustible , y por ello en nuestro proyecto, utilizamos los residuos
alimenticios derivados del sector Agroindustrial como una fuente alternativa de
carbohidratos. 3
Los residuos alimenticios generan muchos subproductos y si ellos no son reciclados o
procesados se crean diversos problemas ambientales como la acumulación de dióxido
de carbono, la contaminación del manto freático produciendo la degradación del medio
ambiente .3 Por lo que su aprovechamiento solucionaría un problema de contaminación
ambiental y haría que nuestro país pudiera producir un combustible que disminuiría la
demanda energética de gasolina. 2
Se propone la producción de Butanol en lugar del Etanol porque este compuesto tiene
un octanaje y características químicas mucho más similares a las de la gasolina que
otros combustibles. Si se deseara emplear el etanol como combustible habría que hacer
una inversión millonaria para cambiar toda la infraestructura del sector petroquímico ,
transporte , Agroindustrial , etc.4
El butanol tiene un octanaje de 78 , es una molécula apolar con una cadena larga de
hidrocarburos , su presión de vapor es 11 veces menor que la del etanol y es menos
corrosiva .5 Esto la hace más compatible con la infraestructura actual de la industria
petroquímica ya que se puede mezclar directamente con la gasolina en una refinería,
soportando temperaturas similares , permitiendo su transporte y almacenamiento en la
misma forma que se hace con la gasolina.7 Alcanzado un 95% de energía que el
mismo volumen de gasolina haciendo que sea una verdadera opción como sustituto de
dicho combustible .5
4
La problemática que existe con el uso de Butanol como biocombustible es su costosa
producción ya que normalmente se presenta en bajas cantidades al final de la
fermentación por Clostridium acetylbutilicum , el cual es el más usado . Y esto hace
que el costo de producción se eleve demasiado.6 Afortunadamente se han encontrado
otras cepas del género Clostridium que tienen la capacidad de degradar azúcares
provenientes de fuentes renovables como los residuos Alimenticios obteniendo una
producción mayor de Butanol a la reportada en Clostridium acetylbutilicum. 6 Entre estas
cepas, la que refleja mayor potencial es Clostridium beijerinckii por su habilidad de
degradar estos residuos. Estos residuos son ricos en de azúcares como la
glucosa, galactosa , manosa, xilosa , celulosa, lignocelulosa y arabinosa , los cuales
son el sustratos que principalmente esta célula usa para la producción de Butanol.6
Propuesta
Ante el reto que representa encontrar una solución a la problemática energética del
país se propone un diseño que reduzca los costos de producción del Butanol de
forma sustentable . Esto se pretende lograr a partir del cumplimiento de los siguientes
objetivos: (1) Analizar los factores y las reacciones que limitan la producción del
biocombustible a partir de residuos alimenticios por el microorganismo Clostridium
beijerinckii P260 . (2)Proponer un mecanismo para mejorar la producción del
Butanol.(3) Describir el diseño del biorreactor (4) Síntesis de la metodología que se
empleará (5) Evaluación comparativa de la producción que se pretende obtener
(1) Análisis de las reacciones limitantes en la producción de Butanol a partir de
residuos alimenticios por el microorganismo Clostridium beijerinckii P260
La productividad de un sistema de fermentación continua al vacío para la producción
de Butanol es considerablemente baja cuando las condiciones del caldo de
fermentación no son monitoreadas ; ocasionando bajos rendimientos y costos más
elevados. Esto sucede porque se da una acidificación del caldo al aumentar la
concentración de los solventes Acetona, Etanol y Butanol (ABE) , desestabilizando la
membrana del microorganismo. Esta reacción limita la producción de solventes cuando
5
el caldo se encuentra a un pH menor a 4.5 . La producción de Butanol es limitada por
la alta concentración de glucosa dentro de la célula y una proporción de NADH+ mayor
a la de NAD+ ya que se inhibe la producción de la enzima gliceraldehido-3-
fosfatodeshidrogenasa que cataliza la reacción que marca el inicio de la segunda
parte de la glucolisis .7 El Clostridium beijerinckii tiene dos fases en su crecimiento; la
esporulación y la fase exponencial. Durante la fase de esporulación, el Clostridium se
encuentra en un medio abundante de fuentes de carbono y éste se dedica a crecer
generando la acidificación del medio y produciendo la biomasa.6 En esta fase se
pueden manipular las condiciones del medio del caldo de cultivo para producir una
mayor concentración del Ácido butírico, para que genere más Butanol y al alcanzar la
fase de crecimiento exponencial se debe mantener el pH entre 4.7 y 4.8, para obtener
el producto de interés, tal y como observa en el figura 1.
Figura 1. Producción de ácido butírico.8
6
(2)Proposición de un mecanismo para mejorar la producción del Butanol.
Revisando varias fuentes se llegó a la conclusión que para poder mejorar la producción
de Butanol se necesita implementar un sistema de alimentación pH-fed-batch en el
diseño del sistema de fermentación continua al vacío, que mantenga el ambiente
interno del tanque de fermentación a un pH (entre 4.7 y 4.8 ) determinado; porque se
ha reportado en la literatura que esto aumenta la producción del Butanol desviando el
flujo del carbono resultando en la formación mayoritaria de este solvente . No está
demás incluir sistemas que monitoreen la viscosidad ,presión, temperatura y
nutrientes . Para poder realizar las modificaciones necesarias en tiempo real de modo
que no se afecte la extracción de los solventes ABE y se promueva la producción de
Butanol.7
(3) Descripción el diseño del biorreactor
Se pretende que el biorreactor tenga una capacidad para contener 30 litros . En la
parte superior del biorreactor se colocarán diversos sensores de temperatura, agitación
, NO2 , flujo , pH , nutrientes , medio de cultivo , densidad y viscosidad .7 Se emplearan
3 entradas provenientes del medio de cultivo , nutrientes y de la fuente de carbono que
representan el inóculo, las cuales serán alimentadas al biorreactor por medio de una
bomba que presurizará el sistema.7 Existen 5 salidas de las cuales las primeras dos
se dirigen hacia los tanques de muestro y de deshechos .Las últimas tres salidas se
dirigen en sucesión hacia el compresor, el sistema de refrigeración en serpentina, y
a un tanque de recolección de solventes . 7 Se usan válvulas y tuberías para transportar los
flujos de entrada como de salida. Y para poder mantener la agitación del caldo de cultivo se
utiliza un motor que tiene la potencia adecuada para mantener la agitación del caldo de
cultivo.7 La corriente que alimenta al motor, compresor , y diferentes componentes
eléctrónicos es suministrada a partir de un sistema de celdas fotovoltaicas que utilizan
la luz solar para reducir el gasto de electricidad en un 40% .9 El diagrama de flujo del
biorreactor se encuentra en la figura 2.
7
Figura 2 .Diagrama de flujo del sistema de Fermentación continua al vacío .
(4) Síntesis de la metodología que se empeará
Para poder utilizar los residuos alimenticios como fuente de carbono en la producción
del Butanol es necesario seguir una serie de pasos. El primero es la esterilización de
estos residuos que se puede realizar en una Autoclave .6 Después de esto se debe
investigar que medio de cultivo se necesita y con qué cultivo se puede inocular el
medio .6 Por lo que se encontró para nuestro caso que el medio de cultivo se necesita
es el tipo P2 y el cultivo más apto para inocular al medio es uno que se encuentre en
su etapa secundaria de crecimiento.6 La temperatura que se debe emplear es de 35
°C de acuerdo para que se pueda dar correctamente las reacciones de fermentación.6
Para poder controlar esta temperatura se pueden usar sistemas de calentamiento de
serpentín .8
El tanque posteriormente se debe de hervir a una temperatura adecuada para su
fermentación para que cuando se aplique la extracción al vació de los gases presentes
en el caldo de fermentación sea posible recolectar ABE y vapor de agua . Los cuales
se pueden recolectar al pasar por un condensador en espiral . El condensador puede
ser enfriado por un líquido que disminuya su temperatura a 1 °C de tal forma que se
precipiten los solventes al circular hacia un sistema refrigerante que lo transporte a un
recipiente recolector de ABE.6
8
La bomba necesaria para generar el vacío requiere una presión de 4.7 kPa y se
pretende que no utilice combustible fósil para disminuir la huella de carbono de este
proyecto.8
Después de cada extracción al vacío, la presión dentro de la cámara de fermentación
se debe de igualar a la atmosférica mediante la inyección de un gas rico en nitrógeno y
libre de oxígeno. Este paso es necesario para que la presión no afecte la generación
de los productos.8
(5) Evaluación comparativa de la producción que se pretende obtener
Los valores que se espera encontrar de ABE por cada 100 kg de residuos alimenticios
según varios estudios científicos son de 22.6 Kg /L de ABE donde las proporciones
sean; 15.18 Kg/L Butanol, 1.73 Kg/L de Etanol y 6.42 Kg/L de Acetona en promedio .6
Una planta de producción industrial de estos solventes en China obtuvo los siguientes
rendimientos a partir de 100 kg de maíz : 11 Kg de Acetona, 22.5 Kg de Butanol y 2.7
Kg de Etanol . Para poder obtener estos solventes, se utilizó una cantidad de energía
eléctrica que oscilaba entre 700 y 1000 kW por hora.9
Al comparar el sistema de producción de ABE que se está realizando en China con el
sistema de de producción de Butanol que se propone en este proyecto podemos
encontrar varias diferencias.9
Primero que nada , el sistema de producción de Butanol a partir de residuos alimenticos
tiene una eficiencia del 67.5% a comparación con el sistema de producción Chino . Sin
embargo, en este sistema se produce un tremendo gasto energético para la
producción de ABE pues se emplea al maíz como la fuente de carbono principal y no se
utiliza ningún tipo de fuente renovable de energía para suplir su alta demanda
energética por lo que a pesar de que nuestro sistema tiene un rendimiento teórico
menor , los costos de producción del Butanol son menores y su huella de carbono es
menor.9
Por ello se demuestra que nuestro sistema de producción de Butanol tiene un mayor
aprovechamiento y un costo menor, haciéndolo una opción viable que pudiera ser
capaz de reducir la demanda energética de combustibles en México y contribuir al
desarrollo económico del país.
9
Pertinencia
La demanda mundial actual del butanol se estimó en 3 millones de toneladas en el
año 2011.Y se pronostica que esta llegaría a 4 millones de toneladas en el año 2020.
Anualmente se generan 50.6 millones de toneladas de desechos alimenticos por lo que
si se canalizara el 30% de estos residuos hacia la producción de Butanol se pudiera
satisfacer la demanda actual de este alcohol a partir de un recurso renovable
presentando una excelente oportunidad de negocio.10
El mercado actual del butanol como biocombustible se encuentra valorado en 8.4
billones de dólares y se espera se incremente a 250 billones de dólares en los
próximos 10 años como se puede observar en la figura 3.
Figura 3 . Mercado del Biobutanol .( Green Biologics; Nejame 2010)
El entorno con el que se relacionan todos los beneficios que se pueden llegar a obtener
al instaurar un sistema de producción de Butanol es el abaratamiento del precio del
combustible que tendría un impacto positivo en la economía del país .10
Por lo que si deseamos garantizar el desarrollo económico de nuestra nación . Es
necesario hacer un cambio ahora ya que dentro de 10 años se espera que la
producción de crudo de Pemex se reduzca agravando la devaluación del peso frente a
otros mercados emergentes. Por ello se tiene que invertir en el desarrollo de sistemas
de producción de Butanol como el que se propone en este proyecto resolviendo la
problemática planteada por el reto de Energía de la Agenda ciudadana. Se pretende
que este proyecto, tenga un impacto positivo en la economía personal, beneficiando a
la población.
10
Conclusión
Por todo lo que se ha mencionado en este proyecto, se puede percibir que es una
opción viable, sustentable, económica y con efectos positivos a largo plazo.
Principalmente, este proyecto ayudaría a satisfacer la demanda energética de nuestro
país, evitando la importación de petróleo.
La producción de butanol, es una alternativa para reducir la dependencia a la gasolina,
y se harían más accesibles los combustibles para la población en general e igualmente
es una propuesta para aprovechar los residuos orgánicos, que tienen un efecto
negativo en el medio ambiente, y el uso de la energía solar para la producción de
electricidad reduciría la huella de carbono, por lo tanto, se podría mencionar que es
una propuesta integral porque impactaría en el sector energético, en la población y el
medio ambiente. Además contempla el debate ético de utilizar no utiliza maíz como
combustible , debido a su valor cultural y alimenticio, en nuestra nación y las
biorefinerías, son una fuente potencial de empleos.
Con esta alternativa, nuestro país podrá competir en el mercado, con otros líderes en el
sector energético, y se incentivaría el desarrollo científico y tecnológico.
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REFERENCIAS
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October 2, 2015
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10. Einstein, A., B. Podolsky, and N. Rosen, 1935, “Can quantum-mechanical
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