TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ
TRABAJO PROFESIONAL
COMO REQUISITO PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERA BIOQUÍMICA
QUE PRESENTA:
MARÍA GUADALUPE CRUZ ENRÍQUEZ
CON EL TEMA:
“DISEÑO DE UNA PLANTA DESTILADORA DE BIOETANOL ANEXA AL INGENIO QUESERÍA S.A. de C.V.”
MEDIANTE LA OPCION X
DEDICATORIA
A Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme
dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor
.
A la constancia, el trabajo y esfuerzo de mis padres Agustín Cruz
García y Gladis Enríquez Martínez quienes mediante su apoyo
incondicional fueron participes para el término de esta carrera universitaria;
logrando formar en mí una persona capaz de cumplir las metas propuestas.
Todo este trabajo ha sido posible gracias a ellos.
A mis familiares, mis hermanos que estuvieron siempre a mi lado
mostrándome su apoyo y a todos aquellos que participaron directa o
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por ser guía espiritual y permitir culminar esta
etapa de mi vida.
Suponen los cimientos de mi desarrollo, todos y cada uno de ustedes
– Mi Familia- han destinado tiempo para enseñarme cosas nuevas, para
brindarme aportes invaluables que me servirán oda la vida. Les agradezco
con creces; los quiero.
Un Especial agradecimiento a mi Familia hermosa de Colima, por
brindarme su apoyo y ayuda incondicional y hacerme sentir como en casa
durante todo el tiempo que duro mi estadía.
A mis amigos ¡Gracias! Por formar parte de mi vida por
acompañarme y ser incondicionales, por cada muestra de cariño, y por cada
empujoncito que recibí para concluir mis estudios universitarios.
Gratifico la ayuda de la Ing. Margarita Marcelin Madrigal por ser un
guía dentro y fuera de las aulas; y demás docentes y amigos que estuvieron
ÍNDICE
CAPITULO I INTRODUCCIÓN………. 7
CAPITULO II JUSTIFICACIÓN……….... 8
CAPITULO III OBJETIVOS……….... 8
3.1 Objetivo general………. 8
3.2 Objetivo específico...……….……... 8
CAPITULO IV CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DONDE SE DESARROLLO EL PROYECTO………. 9
4.1 Historia de BSM Ingenio quesería………9
4.2 Misión………... 10
4.3 Visión……….... 10
4.4 Localización………. 11
4.4.1 Instalaciones……….…..12
CAPITULO V PROBLEMAS A RESOLVER……….. 13
CAPITULO VI ALCANCES Y LIMITACIONES………... 13
CAPITULO VII FUNDAMENTO TEÓRICO……….. 14
7.1 Características de la miel fina………..14
7.2 Condiciones necesarias para la fermentación alcohólica.………...15
7.2.1 Limitaciones de la fermentación……….………...15
7.3 Tipos de destilación………...18
7.4 Tipos de deshidratación de etanol………... 22
7.6 Viabilidad económica del bioetanol………...………. 24
CAPITULO VIII PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS………. 25
8.1 Descripción del proceso...………...………..…..…. 22
8.1.1 Proceso de fermentación alcohólica a partir de la melaza: prototipo Piloto en volumen de 100 litros………...………...……….… 29
8.1.2 Proceso de fermentación alcohólica a partir de melaza……….. 32
8.2 Evaluación de la producción de etanol a partir de la miel final…...…... 33
8.3 Ubicación de la planta………..…………...… 33
CAPITULO IX OTRAS ACTIVIDADES……….. 34
CAPITULO X RESULTADOS, GRÁFICAS Y PROGRAMAS. ..……… 34
10.1 Especificaciones de los procesos para la obtención de bioetanol a partir de melaza tipo B………….………...35
CAPITULO XI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……….. 38
CAPITULO XII ANEXOS……….. 39
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Esquema de la producción de bioetanol de caña………...25
Figura 1.2 Tanques de miel...………...……….……....26
Figura 1.3 Biorreactor de pre-fermentación………26
Figura 1.4 Sistema de fermentación...……….……...27
Figura 1.5 Columna de destilación fraccionada……….….28
Figura 1.6 Tamices moleculares....……..……….…....29
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
Beta San Miguel (BSM) es el segundo productor de azúcar en México y el primer productor privado del país con una producción en la zafra 2010 / 2011 de 702,110 toneladas de azúcar, representando el 13.5 % de la producción del país (BSM).
El proceso de elaboración de azúcar consta de varias etapas, en cada etapa se generan diferentes residuos entre ellos la miel final; este subproducto se genera en la etapa de cristalización, esta cristalización de la sacarosa se realiza en tachos donde se obtiene una mezcla de cristales de sacarosa y miel que son separadas en las centrifugas, las mieles regresan a los tachos para ser agotadas aquí se genera la melaza tipo B.
El Ingenio quesería S.A. de C.V. produce como residuo diario 215 toneladas de mieles incristalizables (melaza tipo B) del cual ya no puede obtener más azúcar en un procedimiento convencional, este residuo es destinado generalmente a la venta a bajo costo como materia prima para otros procesos.
La importancia de este estudio radica en el uso que se le dará a la miel final (melaza tipo B) destinada a su trasformación para la producción de bioetanol, buscando mejores ganancias monetarias para la empresa.
De acuerdo a la investigación realizada por el centro de estudios de finanzas publicas nos indica que la miel final (melaza tipo B) es rentable para la producción de alcohol, “uno de los principales usos es la producción de alcohol etílico obteniéndose a partir de la transformación de las mieles finales como materia prima, alcanzándose cifras anuales de producción superiores a los 50 millones de litros de alcohol de 96º GL, con rendimientos hasta de 250 lts. de alcohol / ton. de melaza” (Centro de Estudios de la Finanza Publica, 2002).
CAPITULO II
JUSTIFICACIÓN
La miel final (Melaza tipo B) es un residuo derivado del proceso de elaboración del azúcar, el Ingenio Quesería S.A. de C.V. Produce 113,059 ton de azúcar y 51,529 ton de mieles incristalizables durante toda la zafra.
Estas mieles son vendidas como subproducto a bajo costo sin obtener un mayor beneficio redituable para la empresa. El ingenio produce 245 toneladas diarias de melaza tipo B que son vendidas al ingenio Tamazula como materia prima base para ser utilizada para los procesos de fermentación alcohólica y al sector ganadero utilizado para alimentación de ganado como mezcla con forraje.
La Melaza tipo B cuenta con una buena calidad, buscando obtener mejores ganancias para la empresa se propone diseñar un proceso para la instalación de un planta destiladora ubicada anexa a la fábrica de azúcar, con lo cual se optimizará su capacidad instalada al engranarse dentro del mismo ciclo productivo.
Por lo anterior se realiza el siguiente estudio para diseñar la planta destiladora de bioetanol anexa al ingenio Quesería S.A. de C.V.
CAPITULO III
OBJETIVOS
3.1 Objetivo General.
Diseñar una planta y el proceso de una destiladora de bioetanol para el aprovechamiento de la miel final (melaza tipo B) del ingenio Quesería S.A. de C.V.
3.2 Objetivo Específico.
Determinar las áreas de trabajo requeridas de la planta destiladora de bioetanol para realizar el diseño de la planta.
Evaluar la miel final (melaza tipo B) que se utilizara en el proceso de destilación de bioetanol.
CAPITULO IV
CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DONDE SE DESARROLLO EL
PROYECTO
4.1 Historia de BSM Ingenio quesería
¿QUE SERÍA?
Esto no es una interrogante a la que haya que buscarle una respuesta o una pregunta capciosa que encierre una respuesta vaga o engañosa. Quesería es un bello rincón de nuestra provincia mexicana, enclavado en las faldas del Volcán de Fuego en el estado de Colima aquí es donde se encuentra ubicado el Ingenio Quesería S.A. de C.V.
4.2 Misión
- OFRECER al mercado productos y servicios que superen las expectativas de nuestros clientes, anticipándonos a sus necesidades en cuanto a: costo, calidad, oportunidad e innovación. Esto lo lograremos a través de:
- ALCANZAR estándares de clase mundial que impliquen mejoras en: productividad, costos, sistemas, tecnología y servicio.
- GENERAR los recursos económicos suficientes que nos permitan crecimiento, inversión, estabilidad y utilidades que cubran las expectativas de nuestros trabajadores y accionistas.
- PROMOVER un ambiente de comunicación y apertura orientado a la estructura organizacional, accionaria, tecnológica y de mercado.
- CAPACITAR en lo técnico, administrativo y humano a nuestro personal elevando su nivel profesional y cultural.
- CONSERVAR el interés por mantenernos actualizados sobre los avances tecnológicos mundiales en todas las áreas para su oportuna implantación.
- RESOLVER aspectos potenciales de daños a la ecología, actuando sobre las causas, mediante sistemas de trabajo e inversiones que mejoren el medio ambiente de nuestras fábricas y de sus áreas de influencia.
- ANALIZAR, sistematizar y simplificar los procesos con enfoque de negocio.
- TRABAJAR en un ambiente de orden, limpieza, seguridad e higiene, eliminando rechazos y desperdicios (BSM).
4.3 Visión
4.4 Localización
Juan M. Cárdenas # 1 Quesería, Col - 28510 Colima, México.
CAPITULO V
PROBLEMAS A RESOLVER
El Ingenio Quesería S.A. de C.V. genera una gran cantidad de Melaza tipo B residuo que es destinado a la venta a bajo costo sin mayores ganancias para la empresa, para resolver estas perdida y generar mejores ingresos se busca darle un valor agregado a la miel final (melaza tipo B) utilizándola como materia prima para la producción de un biocombustible ecológico como lo es el alcohol anhidro (bioetanol).
CAPITULO VI
ALCANCES Y LIMITACIONES
Se logró determinar la ubicación más adecuada para la ubicación de la planta destiladora, pudimos diseñar el proceso de destilación determinado las áreas de trabajos dentro de la planta, se determinó la capacidad de la planta al evaluar la producción de alcohol a partir de la miel final (melaza tipo B); en el desarrollo de este proyecto nos topamos con diferentes dificultades, nuestra limitación la tuvimos al realizar la evaluación de la melaza tipo B.
La limitación presentada en la realización de este estudio la tuvimos en los materiales y equipo de laboratorio a utilizar, entre otros factores como el tiempo de residencia de las mieles en los tanques, los tiempos de monitoreo y las condiciones ambientales.
CAPITULO VII
FUNDAMENTO TEÓRICO.
¿La miel final?
La NMX-F -086-1986 define a la miel final como el líquido madre que se separa de la masa cocida final del cual no resulta económico extraer más azúcar por el método tradicional.
7.1Características de la miel final
NMX-Y-327-1998-SCFI “Alimentos para animales - melaza de caña de azúcar (saccharum officinarum) – especificaciones”.
¿Fermentación alcohólica?
La fermentación alcohólica es una bioreacción que permite degradar azúcares en alcohol y dióxido de carbono. La conversión se representa mediante la ecuación:
C6H12O6 2C2H5OH +2CO2
Las principales responsables de esta transformación son las levaduras. La
El rendimiento teórico estequiométrico para la transformación de glucosa en etanol es de 0.511 g de etanol y 0.489 g de CO₂ por 1g de glucosa. Este valor fue cuantificado por Gay Lussac. En la realidad es difícil lograr este rendimiento, porque como se señaló anteriormente, la levadura utiliza la glucosa para la producción de otros metabolitos. El rendimiento experimental varía entre 90% y 95% del teórico, es decir, de 0.469 a 0.485 g/g. Los rendimientos en la industria varían entre 87 y 93% del rendimiento teórico (M.J., 1984). Otro parámetro importante es la productividad (g/h/l), la cual se define como la cantidad de etanol producido por unidad de tiempo y de volumen (Vazquez & Dacosta, 2007).
7.2 Condiciones óptimas para la fermentación alcohólica
Los factores que se deben tener en cuenta para que la fermentación alcohólica son los siguientes:
Temperatura. La temperatura afecta de manera notable en el crecimiento microbiano, debido a que los microorganismos tienen un rango restringido de temperatura para su crecimiento.
pH. El pH tiene una gran influencia en los productos finales del metabolismo anaerobio, por lo tanto es importante tener un control sobre esta variable durante el desarrollo del proceso de fermentación puesto que los microorganismos poseen un pH óptimo en el cual tienen mayor velocidad de crecimiento y rendimiento.
Nutrientes. Un medio de cultivo debe de tener todos los elementos necesarios para el crecimiento microbiano, para esto se debe tener en cuenta los requerimientos nutricionales del microorganismo con el cual se va a trabajar. Aireación. La ausencia o presencia de oxigeno permite una selección tanto del
material celular. Saccharomyces cerevisiae es una levadura que posee alta actividad metabólica, por lo que en un proceso fermentativo en fase aerobia se caracteriza por la producción de biomasa y en fase anaeróbica generalmente por la producción de etanol.
Productividad. La productividad se define como la producción de biomasa por unidad de volumen, por unidad de tiempo de cultivo, dado en concentración de biomasa (g/L) en función de tiempo (h) (Garzón Castaño & Hernández Londoño, 2009).
7.2.1 Limitantes de la fermentación
Concentración de alcohol. Las levaduras, presentan cierta resistencia a las concentraciones de alcohol que se producen durante la fermentación, debido a que el etanol, inhibe el transporte de D-xilosa, amonio, glicina y algunos aminoácidos, así como afecta la función y estabilidad de algunas enzimas citoplasmáticas como la hexoquinasa, debido a que a concentraciones críticas de etanol, se presenta la formación de un complejo hexoquinasa-etanol el cual puede detener la reacción glucosa a glucosa-6 fosfato. En conclusión la tolerancia al alcohol depende de la habilidad de la célula para exportar el etanol del interior al medio externo, un proceso que depende de la composición de la membrana y de la fluidez de la misma (Garzón Castaño & Hernández Londoño, 2009).
Acidez del sustrato. El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentación debido a que las levaduras se ven afectadas por el ambiente en el cual se desarrollan es decir alcalino o acido. Las levaduras tienen rango óptimo de pH que va desde 3.5 hasta 5.5. En el proceso de fermentación, el pH tiende a disminuir debido a la producción de ácidos, formados al tomar los nitrógenos de los aminoácidos perdiendo su carácter anfótero. En los procesos industriales, se hace uso de soluciones tampón para mantener niveles óptimos de acidez (Garzón Castaño & Hernández Londoño, 2009).
Concentración de Azúcares. Las concentraciones altas de azúcares afectan los procesos de osmosis dentro de la membrana celular, el rango óptimo de concentración de azúcar es de 10 a 18%, puesto que a concentraciones de 22% las levaduras empiezan a tener problemas en su proceso de respiración celular (Garzón Castaño & Hernández Londoño, 2009).
Temperatura. Las levaduras son microorganismo mesófilos, por lo tanto su temperatura no puede sobrepasar los 50ºC, puesto que a esta temperatura o temperaturas superiores se produce su muerte. Por lo tanto debido a que la fermentación es un proceso exotérmico, se debe mantener en el mismo un control de temperatura para mantener la temperatura en su valor optimo que es de 30 ºC (Garzón Castaño & Hernández Londoño, 2009).
Ritmo de crecimiento de las cepas. Durante la fermentación las cepas crecen en número debido a las condiciones favorables que se presentan en el medio, esto hace que se incremente la concentración de levaduras (Garzón Castaño & Hernández Londoño, 2009).
¿Destilación?
El principal objetivo de la destilación es separar los distintos componentes de una mezcla aprovechando para ello sus distintos grados de volatilidad. Otra función de la destilación es separar los elementos volátiles de los no volátiles de una mezcla (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Aparato de destilación
Técnicamente el término alambique se aplica al recipiente en el que se hierven los líquidos durante la destilación, pero a veces se aplica al aparato entero, incluyendo la columna fraccionadora, el condensador y el receptor en el que se recoge el destilado. Este término se extiende también a los aparatos de destilación destructiva o craqueo. Los alambiques para trabajar en el laboratorio están hechos normalmente de vidrio, pero los industriales suelen ser de hierro o acero. En los casos en los que el hierro podría contaminar el producto se usa a menudo el cobre. A veces también se usa el término retorta para designar a los alambiques (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
7.3 Tipos de destilación
Destilación simple
La destilación simple consiste en la separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida cuyos puntos de ebullición difieren entre sí en un rango suficientemente marcado (al menos 25°C) y deben ser inferiores a 150°C (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Destilación Fraccionada
La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento.
menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Destilación por arrastre de vapor.
Es una técnica aplicada en la separación de sustancias poco solubles en agua. La destilación por arrastre de vapor se emplea para separar una sustancia de una mezcla que posee un punto de ebullición muy alto y que se descomponen al destilar. De otra manera, la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no volátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el seno de la mezcla, denominándose este "vapor de arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar" el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia. También se emplea para purificar sustancias contaminadas por grandes cantidades de impurezas resinosas y para separar disolventes de alto punto de ebullición de sólidos que no se arrastran (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Destilación al vacío
Debido a que muchas sustancias, que se desean separar por destilación, no pueden calentarse ni siquiera a temperaturas próximas a sus puntos normales de ebullición (a una atmósfera de presión), porque se descompondrían químicamente, o bien, otras sustancias con puntos de ebullición muy elevados demandarían gran cantidad de energía para su destilación a la presión ordinaria, se emplea el método de destilación al vacío o a presión reducida (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Se deben utilizar torres empacadas para destilaciones a presiones absolutas del orden de 7 a 35 KN/m2, se pueden diseñar platos de capucha y perforados con caídas de presión cercanas a 350 KN/m2, torres de aspersión para caídas de presión de 0.015 psi, y columnas de aspersión agitadas mecánicamente y las de paredes mojadas para caídas de presión aún más pequeñas. La destilación al vacío se utiliza en productos naturales, como en la separación de vitaminas a partir de aceites animales y de pescado, lo mismo que en la separación de muchos productos sintéticos industriales “como plastificantes” (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Destilación azeotrópica:
Mezcla azeotrópica es aquella mezcla líquida de dos o más componentes que poseen una temperatura de ebullición constante y fija, esta mezcla azeotropica se forma debido a que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, es decir como si fuese un solo componente, esto se verifica en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo positivo y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo negativo. La mayoría de azeótropos son del tipo negativo.
Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple, por lo que es necesario añadir otro componente para romper la mezcla azeotrópica. Si las temperaturas son muy altas, se puede utilizar la destilación al vacio, lo que disminuye los puntos de ebullición de las sustancias, así como la proporción de las mezclas. La composición de la mezcla azeotrópica cambia si cambia la presión exterior, pudiendo incluso a desaparecer dicha mezcla. Esto ocurre porque la temperatura de ebullición depende de la presión exterior (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Destilación molecular centrífuga
llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Destilación por membranas
Esta es una técnica por membrana que involucra transporte de vapor de agua a través de los poros de una membrana hidrofóbica debido a la fuerza que ejerce la presión de vapor provista por la temperatura y/o la diferencia de concentración del soluto a través de la membrana.
En este método, las superficies de las membranas están en contacto directo con dos fases líquidas, una solución caliente y una fría. Como ha sido entendido, hay una diferencia de temperaturas pero el equilibrio térmico está bien establecido. Este método está basado en un flujo a contracorriente de un fluido con diferentes temperaturas. La corriente de entrada de agua de mar fría fluye a través de un condensador de paredes no permeables. Este sistema trabaja con un par de tubos, un condensador y un evaporador. Estos tubos están separados por un hueco de aire. La pared del evaporador está hecha de una membrana hidrofobica. Las membranas recomendadas son aquellas con un 60-80% de porosidad y un tamaño de poro de 0.1-0.5x10-6 m. vapor de agua puro pasa a través de las membranas, mientras los sólidos (sales, minerales, etc.) se quedan del otro lado de la membrana. Como fue mencionado, la diferencia de temperaturas de los fluidos, generan una diferencia de presión de vapor, la cual, obliga al vapor para que pase a través de los poros de la membrana del tubo del evaporador y este se condensa en el hueco de aire, de esta forma el calor es parcialmente recuperado (Universidad De los Andes Venezuela, 2006).
Deshidratación de etanol
proceso adicional costoso, porque mediante la destilación simple o fraccionada es imposible solucionar el problema de azeotropia que tiene la mezcla etanol-agua, por lo cual, se ha propuesto diferentes alternativas para eliminar o desplazar el azeótropo y de esta manera, producir etanol con más de 95% de concentración. (Lopez Jimenez & Lozada salgado, 2005)
7.4 tipos de deshidratación de etanol
Destilación extractiva
En la destilación extractiva se añade un solvente, generalmente cerca de la cabeza de la columna con el fin de incrementar la volatilidad relativa entre los componentes a separar, sin la formación adicional de azeótropia. El solvente es generalmente una sustancia relativamente polar de elevada temperatura de ebullición y que se concentra en el fondo de la columna. Este proceso alternativo de deshidratación utiliza dos columnas: una de separación de etanol y otra de recuperación del solvente.
Los solventes más utilizados en la destilación extractiva del etanol son los glicoles, el glicerol, la gasolina, etc. (Lopez Jimenez & Lozada salgado, 2005).
Tamices moleculares
Los tamices moleculares son sustancias granulares de forma cilíndrica o esférica fabricadas a partir de aluminosilicatos de potasio. Son identificados de acuerdo al tamaño nominal de los poros internos. Los materiales moleculares son materiales que se caracterizan por su excelente capacidad de retener sobre su superficie ciertos tipos de especies químicas, por lo general solventes (agua), que se desea retirar para la obtención de un producto final. Una de las características en estas operaciones, está en que la cantidad de la sustancia a remover por medio del tamiz debe de ser baja (Lopez Jimenez & Lozada salgado, 2005).
Destilación salina
Ventaja: en una sola columna se puede reconcentrar el alcohol proveniente de la
fermentación y obtenerlo totalmente puro, se requiere de pequeñas cantidades de agente salino.
Desventajas: recuperación de la sal sólida en el agua, corrosión de los equipos de recuperación de la sal para su posterior recirculación a la torre (Lopez Jimenez & Lozada salgado, 2005).
7.5 Importancia del bioetanol en México
En México, desde hace varios años, se produce etanol de caña de azúcar en los diferentes ingenios del país que cuentan con destilerías, sólo que su uso es para bebidas embriagantes e industriales, no para uso combustible (Beccerra Pérez, 2009).
La importancia que hoy en día tienen los temas de corte energético, no sólo en nuestro país, sino en el mundo en general, nos obliga a la búsqueda permanente de aquellas alternativas que, habiendo probado su viabilidad técnica, se presenten como opciones económicas a los hidrocarburos, cuya expectativa de utilización es finita y cada vez más próximo su agotamiento (Enriquez Poy, 2005).
7. 6 Viabilidad económica del bioetanol
La viabilidad económica de la producción de etanol anhidro en nuestro país, depende de varios aspectos a considerar:
Costo de la materia prima a emplear
Autosuficiencia energética, a partir del bagazo de la caña. Cero petróleos. Economía de escala (mayor tamaño de las destilerías).
Incorporación de la Cogeneración, con entrega de electricidad a la red pública en el ingenio.
Introducción de la biotecnología para mejorar los procesos de fermentación. Subsidios a la agricultura “producción de caña destinada para etanol y/o
CAPITULO VIII
PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS Las organizaciones de BNDES, CGEE, FAO Y CEPAL Realizaron un estudio donde se describe el de producción de alcohol que se pretende seguir como guía en el que se implementara en la planta destiladora.
8.1 Descripción del proceso
La destilación de alcohol, proceso que constara de cuatro etapas principalmente: Fermentación, Destilación, Rectificación y Deshidratación. Esta última si considerando producir alcohol carburante (bioetanol) 99.5%.
Recepción de Materia Prima: Las materias primas usadas en la producción de alcohol son la miel final (melaza tipo B) generadas en el proceso de fabricación de azúcar. Estas son continuamente enviadas desde la fábrica mediante bombeo y depositadas en tanques de almacenamiento.
Figura 1.2 Tanques de miel
Pre fermentación: En el proceso de pre-fermentación es donde se desarrollan las
levaduras. Se utilizan levaduras de la especie Saccharomyces cerevisiae, cuidadosamente seleccionadas (capacidad de producción de etanol y resistencia al sustrato y al producto). Los cultivos de levadura se activan en el laboratorio a una temperatura de 30 °C, pasando posteriormente a un semillero de fábrica, donde son adicionados los elementos necesarios para su crecimiento y reproducción. Del semillero, la levadura pasa a los pre-fermentadores, donde se incorporan a la miel final. Esta miel diluida es conocida como mosto.
El objetivo de la pre fermentación es que la levadura crezca y se multiplique, pero sin producir alcohol. Esto se logra añadiendo una fuerte corriente de aire al proceso.
Fermentación: Una vez obtenido el volumen necesario de levadura en el mosto
7-10% V/V, este se traslada al área de fermentación. Durante esta etapa no se aplica aire, ya que aquí estamos interesados en la producción de alcohol. Las levaduras en ausencia de oxígeno cambian su metabolismo, realizando una fermentación anaeróbica, donde desdoblan las moléculas de sacarosa de la miel para producir alcohol y CO2. Durante la fermentación, se agregan a la levadura más mosto y una serie de nutrientes (nitrógeno, fosforo, potasio) para la realización de la función fermentativa. El alcohol producido se encuentra diluido en el mosto a una concentración de aproximadamente 8%; además, contiene agua, sólidos y levadura, que se recupera en el tanque de sedimentación para ser usada nuevamente en el proceso.
La levadura recuperada, se envía al tanque de acidulación donde se hace un choque con ácido sulfúrico para reducir la contaminación bacteriana presente y nuevamente se recircula a los fermentadores para continuar con el proceso de producción.
El mosto o vino fermentado se envía al proceso de destilación para continuar la separación del etanol producido.
Destilación: Una vez que el mosto ha sido fermentado por la acción de la levadura,
éste es enviado hacia las columnas de destilación para extraer el alcohol (separarlo del mosto). El proceso de separación del alcohol y el mosto se da debido a que el alcohol y el agua tienen diferentes puntos de ebullición.
Columna mostera: El mosto es elevado a una temperatura en la que únicamente hierve el alcohol, se convierte en vapor, sale por la parte superior de la columna, y pasa a la siguiente, dejando atrás el agua y demás impurezas, las cuales son conocidas como vinaza.
se obtienen gases con una concentración de alcohol entre el 40-50% v/v que se envían a la segunda columna llamada rectificadora.
La columna mostera y la rectificadora pueden estar en una misma.
Cada columna adicional extrae una mayor cantidad de humedad e impurezas, hasta obtener un producto final con alta pureza y un grado de concentración de alcohol de 96%. En la destilación se obtienen alcoholes de diferentes tipos.
Deshidratación: En la destilación logramos tener un producto con alrededor de
96% de concentración de alcohol. Para remover humedad y alcanzar el 99.5% requerido para utilizar el alcohol como combustible, es necesario deshidratar el alcohol. La deshidratación tiene lugar en los tamices moleculares, que por medio de una resina sintética retiene el agua contenida en el alcohol rectificado y/o como alternativa la destilación extractiva, el alcohol deshidratado o alcohol anhidro se condensa y enfría para ser almacenado.
Figura 1.6 Tamices moleculares
El proceso descrito nos dio énfasis a realizar el diseño de la planta piloto con el objetivo de realizar estudios de factibilidad y parámetros de fermentación, destilación y deshidratación.
8.1.1 Proceso de fermentación alcohólica a partir de melaza: Prototipo piloto en
volúmenes de 100 litros
Figura 1.7 Instalación piloto 100 litros A: Bioreactor de fermentación.
B y C: Recipientes de almacenamiento de ácido y de base respectivamente. D Recipiente de recolección de levaduras y vinasas para el reciclaje. E: Decantador.
Mn: Recipiente de almacenamiento de melazas. F: Válvulas automáticas.
G: Intercambiador de calor para el calentamiento del caldo de fermentación. H: Intercambiador de calor para el enfriamiento de vinasas.
J: Recipiente de recolección de vinasas.
K: Recipiente de recolección del caldo de fermentación. L: Columna de destilación.
M: Bomba para la crema de levaduras.
N: Bomba de alimentación a la columna de destilación. O: Bomba de reciclaje de levaduras.
P: Bomba para el reciclaje de vinasas. Fm: Flujo de melazas.
Fair: Flujo de aire.
CO2: Flujo de dióxido de carbono Fv: Flujo de vinasas.
Pef: Flujo de etanol.
La instalación integra cuatro subsistemas:
Reserva de melazas (Mn): Recipiente de forma cilíndrica dotado de un sistema de agitación y de un sistema de calentamiento.
Una balanza mide la pérdida de peso, permitiendo así calcular la cantidad de melazas que se envía al bioreactor.
Bioreactor (A): Recipiente de forma cilíndrica, en acero inoxidable, equipado con sistemas de medida [temperatura, pH, volumen], de entrada (para las melazas (Fm), agua (Fe), vinasas, ácido y sosa)]; y de salida (para el cultivo fermentado, para la evacuación del aire, para la evacuación del dióxido de carbono y evacuación de las levaduras en exceso). Un motor permite agitar el líquido evitando así la formación de gradientes de concentración y temperatura.
Decantador (E): Un recipiente de forma cónica que permite la recuperación en continuo de las levaduras para concentrarlas (Bidault, 1985). El medio de cultivo fermentado se evacúa y luego se recupera en un depósito de recolección, para ser enviado a la columna de destilación. A medida que se requiere, las levaduras se reciclan al birreactor.
8.2 Evaluación de la producción de etanol a partir de melaza tipo B
Esta evaluación se realizó siguiendo la metodología experimental utilizado por (Mata, 2006) con modificaciones y adaptaciones para su replicación en el laboratorio químico de fábrica del ingenio (Anexo 1).
8.3 Ubicación de la planta
Para elegir la ubicación adecuada donde se instalara la planta destiladora se tomó en cuenta lo siguiente:
Espacio disponible dentro del ingenio; dejando espacio asignado a los proyectos que se realizaran a corto plazo dentro del área del ingenio.
La seguridad de la población, tomando en cuenta las zonas urbanas instaladas alrededor del ingenio.
Vapores, olores y de más gases que genere la planta destiladora, de acuerdo a uno de los prerrequisitos de operación con los que cuenta la empresa.
En base a estos puntos el área de la ubicación de la planta destiladora se encuentra en la parte noroeste de la fábrica y se cuenta con las siguientes especificaciones.
Se cuenta con un área de tanques de almacenamiento de miel de capacidad de contenido de 4, 000,000 lts.
3 tanques con capacidades de 8, 000,000 lts; 5, 000,000 lts; 2, 705,000 lts.
Con un espacio disponible de 99.31 m².
CAPITULO IX
OTRAS ACTIVIDADES
Se apoyó en el laboratorio químico de fábrica en la realización de análisis de color y turbidez de jugo claro, meladura clarificada, filtrado, meladura de entrada y licor.
Se apoyó en el análisis del azúcar glass y azúcar.
Se apoyó en los “análisis especiales” que realiza el laboratorio de fábrica. (Anexo 4)
CAPITULO X
RESULTADOS, GRÁFICAS Y PROGRAMAS.
Con la realización de este proyecto se lograron obtener planos de distribución y equipamientos requeridos para la instalación de una planta destiladora de bioetanol.
La planta de alcohol se calculó como base una capacidad de producción diaria de 48,673 litros de alcohol anhidro y utiliza 215 toneladas de miel B de acuerdo a las 5,529 toneladas de mieles promedio producidas por zafra (Anexo 5). El vapor y la energía eléctrica utilizados en la Planta de Alcohol Carburante son suministradas por la Planta de Azúcar.
10.1 Especificaciones de los procesos para la obtención de bioetanol a partir de
melaza tipo B
A. Almacenamiento: La miel B proveniente de la planta de azúcar se recibe en tanques de almacenamiento de donde es enviada a la siguiente etapa. En esta etapa las mieles serán almacenadas en tres tanques con capacidad de total de contenido de 4, 000,000 lts.
etanol y bióxido de carbono principalmente, el proceso de fermentación utilizado en la Planta de Alcohol Carburante es continuo, lo que garantiza altas eficiencias y minimiza los impactos ambientales.
El alcohol producido se encuentra diluido en el mosto a una concentración de aproximadamente 8%; además, contiene agua, sólidos y levadura, que se recupera en el tanque de sedimentación para ser usada nuevamente en el proceso.
En etapa se encuentra bajo las siguientes condiciones de operación: temperatura 31°C, nivel inicial de solidos 130-180 gr/lts, tiempo de residencia 40 h. y con un número de equipo de 5 birreactores o tanques de fermentación, dos de ellas con adaptación para ser utilizados como pre fermentadores.
El mosto o vino fermentado se envía al proceso de destilación para continuar la separación del etanol producido.
B. En el área de destilación: en esta etapa ocurre la separación del alcohol del mosto fermentado, se cuenta con cuatro columnas de destilación; las dos primeras columnas son llamadas columnas mosteras donde el mosto es elevado a una temperatura en la que únicamente hierve el alcohol, se convierte en vapor, sale por la parte superior de la columna, y pasa a la siguiente, dejando atrás el agua y demás impurezas, las cuales son conocidas como vinaza, el vapor obtenido contiene una concentración de alcohol entre el 40-50% v/v que se envían a las segundas columna llamada rectificadora donde se extrae una mayor cantidad de humedad e impurezas, hasta obtener un producto final con alta pureza y un grado de concentración de alcohol de 96%. Se utilizan columnas de destilación fraccionada dos de ellas cuentas con un sistema de purga para facilitar la separación de los sólidos con la mezcla de agua-vapor y las otras dos son columnas de rectificación donde se extraer el agua por la parte inferior que es reciclada y reutilizada en el proceso y vapores de agua-alcohol al 96% que es sobrecalentado a 116°C para ser ingresado a los tamices moleculares para su deshidratación, las mallas dejan pasar las el agua y retienen el alcohol por ser moléculas más grandes y son mandadas a la última etapa del proceso. El ciclo completo que comprende presurización, adsorción, despresurización y desorción dura alrededor de 10 min.
Primera columna: temperatura de alimento de 70°C, presión de operación 1 atm, composición del producto 50% peso.
Segunda columna: presión de 1 atm de operación y una composición del 96% peso.
Tamices moleculares: adsorción (116°C, 1.7 atm, 99.5% peso), desorción (116°C y 0.14 atm.)
C. Área de almacenamiento: una vez que el alcohol es deshidratado y alcanza una concentración del 99.5% es mandado a los tanques de almacenamiento donde se mezcla al 1% con gasolina para evitar posibles consumo humano.
CAPITULO XI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El INGENIO QUESERÍA S.A. de C.V. tiene la capacidad para la instalación y equipamiento de un planta destiladora bioetanol anexa a la fábrica de azúcar, con lo cual se optimizará su capacidad instalada al engranarse dentro del mismo ciclo productivo.
Es necesario que se realicen pruebas a nivel laboratorio y/o piloto para conocer los parámetros y variables de cada parte del proceso para obtener mejores rendimientos en producción de alcohol y mejorar cada parte del proceso.
Este proyecto se visualiza con gran factibilidad por las tendencias actuales en la búsqueda de combustibles ecológicos por lo que la instalación de una planta destiladora ubicada anexa a la fábrica de azúcar, se optimiza su capacidad instalada al engranarse dentro del mismo ciclo productivo.
Hacer eficiente cada parte del proceso de la producción obtendríamos mejor rendimiento en la producción de bioetanol las recomendaciones propuestas son las siguientes.
Es necesario que se realicen pruebas a nivel piloto para conocer las variables del proceso para la producción bioetanol a nivel industrial.
Diseñar un programa de mejora continua del proceso de la planta.
Ver la posibilidad de diseñar y construir los equipos requeridos en el proceso como lo son los birreactores y torres de destilación.
Encontrar las cepas de Saccharomyces cerevisiae con mejoras genéticas para lograr obtener rendimientos óptimos de etanol.
CAPITULO XII
ANEXOS
Anexo 1 Evaluación de la Miel final (melaza tipo B): Metodología descrita y resultado
Materiales y Desarrollo
- Melaza proveniente del ingenio quesería S.A. de C.V. - Ácido Sulfúrico (H
2SO4) - Fosfato de sodio (Na
3PO4) - Urea
- Levadura liofilizada (S. cerevisiae)
Preparación de los sustratos para el desarrollo de procesos de fermentación.
Se obtuvieron muestras de melaza del Ingenio Azucarero que presentaban las siguientes características químicas: 87.60% º Brix y pureza de 36.28%, imposibilitando el crecimiento de las levaduras en este medio. Para poder promover un crecimiento vegetativo en los sustratos, estos deben ser diluidos con agua destilada hasta un porcentaje de 21 º Brix.
Para Ur-Fosf-AcSul, se disolvieron 16.28 g de urea con 2.71 g de fosfato de sodio; la dilución de melaza se realizó a 21° Brix. Se homogenizó la solución y se trasegaron los 900 ml de mosto enriquecido en erlenmeyers de 300 ml. Para llegar a un pH de 4.3 en el Ur-Fosf-AcSul se agregó ácido sulfúrico.
En el tratamiento Control, solamente se diluyó la melaza hasta llegar a los 21° Brix para luego proceder a la inoculación de la levadura.
Resultados Evaluación de la producción de etanol a partir de melaza de caña de
azúcar.
El rendimiento por tonelada será proporcional al contenido de azúcar en las mieles empleadas como materia prima para la destilación.
Una melaza con 42% de azúcares fermentables; la recuperación teórica de alcohol será: 420 * 644.8 / 1000 = 270.82 l. alcohol
Con una eficiencia de fermentación de 85% y una de destilación de 98.5%; la producción neta de alcohol seria:
270.82 *85/1000*98.5/1000= 226.7 litros (absoluto)
Anexo 5 Cálculos de las capacidades de equipos de la planta Los cálculos se realizaron tomando las siguientes variables.
51,529 Ton 215 Ton 9 Ton
51,529 Ton 215 Ton 9 Ton
11,681,624 Litros 48,673 Litros 2,028 Litros
8 meses (240 días,5760 hrs.) 1 días 1 hrs.
El Ingenio Queseria S.A. de C.V. emplea tres turnos de trabajo para cubrir su 24 horas de produccion continua durante 8 meses de Zafra
Miel Incristalizable (melaza tipo B)
113,059 toneladas de azucar 51,529 toneladas de miel final Producion aproximada por zafra.
Bioetanol (alchohol anhidrido)
Anexo 1 (1 Ton de miel tipo B =226.7 litros de bioetanol)
CAPITULO XIII
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y VIRTUALES
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