Evaluación prospectiva para transformar una fábrica de azúcar en biorrefinería

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(1)i. Facultad de Química Farmacia Departamento de Ingeniería Química. TRABAJO DE DIPLOMA Evaluación prospectiva para transformar una fábrica de azúcar en biorrefinería. Autora: Rocío Rodríguez Plaza Tutores: Ing. Ana Celia de Armas Martínez Dr. Cs. Erenio González Suárez Santa Clara 2015-2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) ii. Pensamiento.

(3) iii. “El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable. Para los temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad”. Víctor Hugo.

(4) iv. Dedicatoria.

(5) v. A las personas que siempre han estado conmigo; mis padres. Los únicos por los cuales, en su búsqueda, cruzaría los mares; por todo el apoyo que siempre me han dado; por correr detrás de mí y de mis cosas; porque son la fuerza que me impulsa cada día, y por siempre tener absoluta confianza en mí; los amo infinitamente..

(6) vi. Agradecimientos A todas aquellas personas que me han ayudado a llegar donde he llegado, que han estado conmigo en momentos determinados, por su apoyo y comprensión: ¡Muchas Gracias!, especialmente… A mi mamita adorada: Por tener el corazón más grande del mundo, en el cual siempre he encontrado perdón; por ser infinitamente especial; por enseñarme que todo es posible siempre que se luche a diario; por educarme sabiendo que quien entrega y siembra todo los días un poco de amor, tiene el privilegio de ver sus frutos. Gracias por todo lo bueno que has hecho por mí, por tu apoyo incondicional, por ser la mejor mamá del mundo. Lo eres todo en mi vida, te amo. A mi papi querido: Por todas tus enseñanzas y tu buen ejemplo; por mostrarme el camino correcto para corregir mis errores sabiamente; porque siempre has estado ahí cuando más lo necesito. Nunca me cansaré de decirte cuanto te quiero y lo orgullosa que me siento de ti. Gracias por todo lo bueno que has hecho por mí, por ser el mejor papá del mundo. Eres todo para mí, te amo. A mi tutora Ana Celia: Por ser mi ángel guardián; por tus ánimos cuando más lo necesitaba; por todas tus atenciones; por siempre tener tiempo para escuchar. Gracias por hacerme sentir como de tu familia, no me alcanza la vida para agradecerte. A Diamir y a Dieguito por ser iguales de atentos y comprensivos conmigo. A mi tutor Erenio: Por su extraordinaria visión de la realidad científica; por su dedicación, paciencia y preocupación constante; por no escatimar sus horas de trabajo o descanso en el asesoramiento de mi trabajo; por su incondicional apoyo y ayuda en todo momento..

(7) vii. A mis profesores: Por sus formas de enseñar, todas diferentes y características, que me incentivaron en muchos sentidos a seguir adelante; por formarme como un profesional de bien; sin ustedes esto no hubiera sido posible. A mis amigos: Los de mi niñez, adolescencia y madurez; los que ya no veo con frecuencia y los que veo día a día, los que han estado en los momentos difíciles y a los que siempre comparten conmigo una sonrisa y de los que aprendí grandes lecciones. Especialmente a: Dayana, Lisday, Leyaní, Yuraimy y Maidelys por estar siempre dispuestas a todo por mí; por escuchar y llenarme con sus buenos consejos; por demostrarme que la distancia no hará que nuestra amistad se pierda; por convertirse en las hermanas que siempre he querido tener. Ustedes son las mejores, las quiero un mundo. A mis compañeros de grupo: Por compartir juntos cinco años de alegrías y vicisitudes apoyándonos en todo momento, nunca los olvidaré. A todos los que no confiaron en mí. A quienes siempre llevo conmigo y cada día les agradezco lo que soy, al resto de mi familia y a todos los que con su ayuda hicieron posible la realización de este sueño. ¡Muchas Gracias!.

(8) viii. Resumen El desarrollo de una biorrefinería en Cuba tiene como ejemplo base la industria azucarera, gracias a las características de sus corrientes y a las facilidades que brinda para la obtención de diferentes productos, ya sea para biocombustibles, productos de alto valor agregado y energía. Por tal motivo en el presente trabajo se consideraron esquemas que conviertan a la industria azucarera en una biorrefinería. Las alternativas incluyen, a partir de la producción de azúcar, el empleo de miel, jugo de los filtros, hidrolizado de bagazo, hidrolizado de microalgas para la obtención de etanol, y la cachaza y biomasa microalgal para producir biodiesel. La instalación de la destilería se fija para una capacidad de 500 Hl/día de alcohol a partir de 8 020,83 kg/h de miel. Al considerar las diferentes alternativas se logra una disminución en el consumo de miel como materia prima fundamental entre el 17 y el 82 %, alcanzándose un mayor ahorro utilizando el hidrolizado de microalgas. Unido a estas producciones se considera la obtención de biodiesel a partir de 109574,33 kg/día de microalgas y 368000 kg/día de cachaza, donde se obtienen como producto final 29743,36 kg y 33624,41 kg de biodiesel respectivamente. Al evaluar desde el punto de vista técnico y económico las propuestas por separado ofrecen mayor rentabilidad las alternativas de producción de alcohol de miel, miel y jugo de los filtros y miel e hidrolizado de microalgas, todas con un PRD entre 3 y 5 años, y la producción de biodiesel recupera la inversión en aproximadamente 6 años. En la integración de las propuestas se logra mayor rentabilidad en la alternativa de biodiesel y alcohol con miel y jugo de los filtros con un valor de VAN = $ 132 562 202,92, TIR = 81 % y PRD = 2,3 años, así como en las de biodiesel y alcohol con miel e hidrolizado de bagazo con jugo iónico, y biodiesel y alcohol con miel e hidrolizado de bagazo que tienen un PRD de 2,7 y 3 años respectivamente..

(9) ix. Abstract The development of a biorefinery in Cuba is based example the sugar industry, thanks to the characteristics of the currents and the facilities provided for obtaining different products, either for biofuels, high value-added products and energy. Therefore in the present work schemes that convert the sugar industry in a biorefinery they were considered. Alternatives include, from sugar production, the use of molasses, juice filters, bagasse hydrolyzate, hydrolyzate microalgae for the production of ethanol and mud and microalgal biomass to produce biodiesel. The installation of the distillery is set to a capacity of 500 Hl/day of ethanol from 8 020,83 kg/h of molasses. When considering different alternatives achieved a decrease in consumption of mollases as basic raw material between 17 and 82 %, achieving greater savings hydrolyzate using microalgae. Attached to these productions is considered obtaining biodiesel from 109 574,33 kg/day of microalgae and 368 000 kg/day of mud, where final product are obtaind as 29743,36 kg and 33624,41 kg of biodiesel respectively. When evaluating from the technical and economic proposals separately offer higher return alternative ethanol production, molasses and juice filters and mollases and hydrolyzed microalgae, all with RPD between 3 and 5 years, biodiesel production investment recovered in approximately 6 years. The integration of the proposed higher profitability is achieved in alternative biodiesel and ethanol with honey and juice filters with a value of NPV = $ 132 562 202,92, IRR = 81% and RPD = 2,3 years, and in the biodiesel and ethanol with honey and bagasse hydrolyzate with ionic liquid, and biodiesel and ethanol with honey and bagasse hydrolyzate having a RPD 2,7 and 3 years respectively..

(10) x TABLA DE CONTENIDOS Resumen.......................................................................................................................... viii Introducción........................................................................................................................ 1 CAPÍTULO 1. 1.1. Revisión bibliográfica. ............................................................................ 3. Biorrefinería. ........................................................................................................ 3. 1.1.1. Definición de biorrefinería. ............................................................................ 3. 1.1.2. Biorrefinería integrada y grado de integración. .............................................. 4. 1.1.3. Estado actual de las biorrefinerías en el mundo. ........................................... 6. 1.1.3.1. Biorrefinerías en América Latina. ............................................................... 7. 1.1.3.2. Biorrefinería en Cuba................................................................................. 8. 1.2. Fuentes de biomasa. .......................................................................................... 11. 1.2.1. Las algas como fuente de biomasa. ............................................................ 11. 1.2.1.1. Características generales de las microalgas. ........................................... 12. 1.2.2. Cachaza como fuente de biomasa. ............................................................. 14. 1.2.3. Bagazo como fuente de biomasa. ............................................................... 15. 1.3. Biocombustibles. ................................................................................................ 17. 1.3.1. Ventajas y desventajas de los biocombustibles. .......................................... 17. 1.3.2. Tipos de biocombustibles. ........................................................................... 18. 1.3.2.1. Biodiesel. ................................................................................................. 18. 1.3.2.2. Bioetanol. ................................................................................................ 21. 1.4. Ventajas de la obtención de biocombustibles a partir de algas, cachaza y bagazo. 24. Conclusiones parciales. ................................................................................................... 26 CAPÍTULO 2.. Propuesta de alternativas para biorrefinería. ........................................ 27. 2. Perspectivas de biorrefinería en el Central “5 de Septiembre”. ................................. 27 2.1. Proceso de obtención de azúcar en la UEB “5 de Septiembre”. ......................... 28. -. Balances de masa y energía en la producción de azúcar. .................................. 29. 2.1.1 2.2. Producción de biodiesel. .................................................................................... 32. 2.2.1 -. Efecto de la extracción del jugo de los filtros en las corrientes. ................... 30. Proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas. ........................ 32. Balances en el proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas. ....... 33. 2.2.2. Proceso de producción de biodiesel a partir de cachaza. ............................ 35. -. Balances del proceso de producción de biodiesel a partir de cachaza. .............. 36. 2.3. Producción de alcohol. ....................................................................................... 37.

(11) xi 2.3.1 -. Balances de masa y energía para la obtención de alcohol a partir de miel......... 38. 2.3.2 -. Proceso de producción de alcohol a partir de las mieles. ............................ 37. Proceso de obtención de alcohol a partir de miel y jugo de los filtros. ......... 41. Balances de masa y enrgía en la obtención de alcohol a partir de miel y jugo de. los filtros. .................................................................................................................. 42 2.3.3 -. Proceso de obtención de alcohol a partir de miel e hidrolizado de bagazo. . 43. Balances de masa y energía en la obtención de alcohol a partir de miel e. hidrolizado de bagazo............................................................................................... 50 2.3.4. Proceso de obtención de alcohol a partir de miel, jugo de los filtros e. hidrolizado de bagazo............................................................................................... 51 -. Balances de masa y energía en la obtención de alcohol a partir de miel, jugo de. los filtros e hidrolizado de bagazo. ............................................................................ 51 2.3.5. Proceso de obtención de alcohol a partir de miel e hidrolizado de bagazo. con jugo iónico.......................................................................................................... 52 -. Balances de masa y energía en la obtención de alcohol a partir de miel e. hidrolizado de bagazo con jugo iónico. ..................................................................... 54 2.3.6. Proceso de obtención de alcohol a partir de miel e hidrolizado de microalgas. 57. -. Balances de masa y energía en la obtención de alcohol a partir de miel e. hidrolizado de microalgas. ........................................................................................ 58 Análisis de resultados. ..................................................................................................... 59 CAPÍTULO 3.. Evaluación técnico-económica de las alternativas para biorrefinería. 61. 3.1. Alternativas propuestas. ..................................................................................... 61. 3.2. Diseño del equipamiento de las alternativas. ..................................................... 61. 3.2.1. Diseño de los principales equipos para la producción de biodiesel a partir de. biomasa algal y cachaza. ......................................................................................... 61 3.2.2. Instalación de una destilería para la producción de 500 Hl de alcohol. extrafino.................................................................................................................... 65 3.2.3. Utilización del jugo de los filtros en la etapa de fermentación. ..................... 66. 3.2.4. Equipamiento para la obtención del hidrolizado de bagazo. ........................ 66. 3.2.5 Equipamiento para la obtención del hidrolizado de bagazo a partir de jugo iónico. ....................................................................................................................... 69 3.2.6 Equipamiento para la obtención del hidrolizado de microalgas. ....................... 70 3.3. Evaluación económica de las alternativas. ......................................................... 71.

(12) xii 3.3.1 Evaluación económica para la planta de producción de biodiesel a partir de microalgas y de cachaza. ......................................................................................... 71 3.3.2. Evaluación económica de la destilería de alcohol. ...................................... 74. 3.3.3. Evaluación económica de la producción de alcohol a partir de mieles y jugo. de los filtros. ............................................................................................................. 77 3.3.4 Evaluación económica de la producción de alcohol a partir de miel e hidrolizado de bagazo................................................................................................................. 79 3.3.5. Evaluación económica de la producción de alcohol a partir de miel, jugo de. los filtros e hidrolizado de bagazo. ............................................................................ 82 3.3.6 Evaluación económica de la producción de alcohol a partir de miel e hidrolizado de bagazo con jugo iónico. ....................................................................................... 84 3.3.7 Evaluación económica de la producción de alcohol a partir de miel e hidrolizado de microalgas. .......................................................................................................... 87 3.3.8 Integración económica de las alternativas. ...................................................... 89 Análisis de los resultados ................................................................................................. 92 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 94 RECOMENDACIONES .................................................................................................... 95 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 96 ANEXOS ........................................................................................................................ 103.

(13) Introducción. 1. Introducción Los aumentos en la temperatura del planeta han sido el principal motor de una serie de teorías alrededor de los gases invernadero y sus efectos demoledores para el planeta. Para solucionar, o por lo menos parchar temporalmente este grave problema, una de las herramientas más aceptadas, social y científicamente, es la sustitución de los combustibles fósiles por energías alternativas atractivas que le den solución a estas dificultades, tanto para el desarrollo de combustibles y energía como para la elaboración de productos que constituyan materia prima para otras industrias. Es por ello que el mercado de biocombustibles crece con pasos agigantados, mientras los avances tecnológicos procuran mantener ese ritmo de crecimiento. En este contexto surge el concepto de biorrefinería, concebida como un conjunto de instalaciones integradas en las que se emplea la biomasa como materia prima para la producción de una amplia gama de productos, aprovechando residuos y coproductos de las otras industrias para así contribuir al cuidado del medio ambiente y al desarrollo económico del país. Cuba es un país altamente dependiente de otros países en cuanto a suministro de combustibles, sin embargo, los trabajos realizados en este sentido buscando alternativas para los combustibles tradicionales aún son insuficientes. Por otra parte posee una gran cantidad de residuos sólidos agroindustriales biodegradables sin utilización tales como el bagazo y la cachaza (residuos de la industria azucarera), que pueden ser utilizados como una alternativa de materia prima para la producción de biocombustibles como fuente de energía renovable y de producción nacional. La industria azucarera presenta la base más completa para el desarrollo de una biorrefinería en nuestro país. Por ello es de gran interés aprovechar el proceso de reordenamiento y redimensionamiento en el que se encuentra inmersa, con el fin de alcanzar mayores beneficios, tecnológicos, económicos y ecológicos. La biorrefinería al integrar la destilería con la producción de azúcar a partir de caña de azúcar como materia prima principal, posibilita no sólo el empleo de las mieles intermedias y finales, sino el uso de los jugos, el bagazo y residuos de cosecha como energéticos, evitando la quema de cañaverales y el necesario manejo agroecológico de la caña de azúcar. Teniendo en cuenta lo anterior, se propone como: -. Problema Científico:. En Cuba el ejemplo más común de una biorrefinería es a partir de la industria azucarera, sin embargo, no existe una tecnología que integre a esta la obtención de productos como.

(14) Introducción. 2. el biodiesel y el bioetanol de segunda y tercera generación que contribuyan a la disminución de importaciones en el país. -. Hipótesis:. Si se introducen los procesos de obtención de biodiesel y bioetanol a partir de productos y coproductos de una industria de caña de azúcar, y microalgas, crecidas en residual de destilería, es posible contribuir favorablemente a la conversión de un complejo azucarero en biorrefinería. -. Objetivo General:. Considerar la obtención de bioetanol y biodiesel a partir de diferentes tipos de biomasa como alternativas para la transformación del Central “5 de Septiembre” en una biorrefinería. -. Objetivos Específicos:. 1. Identificar por medio de una revisión bibliográfica los posibles esquemas de biorrefinería que se pueden adaptar a una industria azucarera. 2. Caracterizar el proceso de producción de azúcar en el Central “5 de Septiembre” incluyendo balances de materiales y energía. 3. Examinar las alternativas de biorrefinerías en la industria azucarera que incluyan el aprovechamiento de sus corrientes residuales y diferentes tipos de biomasa. 4. Evaluar técnica y económicamente las posibilidades de adaptación de las alternativas propuestas a la industria azucarera “5 de septiembre”..

(15) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. CAPÍTULO 1.. 1.1. 3. Revisión bibliográfica.. Biorrefinería.. La biomasa fue la principal fuente de energía hasta el siglo XIX, sin embargo, el uso de este combustible con la revolución industrial fue menguando progresivamente comenzando la era de los combustibles fósiles. Hoy en día, el aumento de su precio, los problemas medioambientales ocasionados por su uso y sus reservas limitadas, ha hecho iniciar una nueva actividad económica más sostenible emergiendo así una economía basada en la biomasa. La producción de bioproductos es un mercado en constante expansión con aplicaciones en la industria farmacéutica, química, papelera y alimentaria, pero precisa aún de un desarrollo tecnológico que permita obtener productos a un costo menos y de una manera más eficiente. Íntimamente ligado a este mercado, se encuentra el concepto de biorrefinería, término que engloba la integración de procesos y tecnologías para un uso eficaz de las materias primas y así lograr instalaciones que operen de una manera sostenible con el medio ambiente(www.bioenarea.eu/sites/www.bioenarea.eu/files/Activity%2056.Spanish%20Guide.pdf).. 1.1.1. Definición de biorrefinería.. La idea general subyacente en el concepto de biorrefinería es similar a la de la refinería de petróleo, la cual produce múltiples combustibles y derivados utilizando hidrocarburos como una única fuente de materia prima. La literatura plantea distintas definiciones del concepto de biorrefinería, dependiendo del contexto dentro del que se inserta. Algunos ejemplos son los siguientes: -. “…una instalación que integra procesos de conversión de biomasa y equipamiento para producir combustibles, energía y compuestos químicos de un alto valor agregado.” (American National Renewable Energy Laboratory, 2007).. -. “…un cluster integrado de bioindustrias que utiliza una variedad de diferentes tecnologías para producir compuestos químicos, combustibles, ingredientes alimentarios y energía a partir de la biomasa de materia prima.” (Europabio, 2007).. -. “…un concepto global de planta de procesamiento en la cual la biomasa de materia prima es convertida y extraída para dar origen a un espectro de productos de valor.” (Departament of Energy USA, 2007)..

(16) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. -. 4. “…la separación de biomasa en distintos componentes individuales que pueden ingresar al mercado ya sea inmediatamente luego de su separación o después de tratamientos posteriores (de tipo biológico, termoquímico o químico).” (Elbersen et al., 2003).. -. “…las biorrefinerías son industrias integradas de base biológica que usan una variedad de tecnologías para producir compuestos químicos, biocombustibles, alimentos e ingredientes para piensos, biomateriales (incluyendo fibras) y energía a partir de la biomasa de materia prima.” (EU Biorefinery Euroview, 2007).. -. “…es el uso eficiente del potencial completo de las materias primas y derivados del sector forestal en un amplio rango de productos de alto valor agregado (mediante cooperación entre cadenas productivas).” (Biorefinery Taskforce FTP, 2007).. En línea con los conceptos anteriores, podríamos resumir, el concepto de biorrefinería como “el procesamiento sustentable de biomasa en un espectro de productos para el mercado y la producción de energía” (IEA Bioenergy Task 42 on Biorefineries) (www.argentinainnovadora2020.mincyt.gob.ar/) 1.1.2. Biorrefinería integrada y grado de integración.. La amplia variedad de definiciones hace difícil establecer una clasificación exacta, aunque la más extendida se basa en el grado de integración y optimización del aprovechamiento de la biomasa. Según este criterio, las biorrefinerías podrían catalogarse en primera, segunda y tercera generación (García, 2008). Las biorrefinerías de primera generación se centran en la producción de biocombustibles (etanol y biodiesel), de algunos pocos compuestos químicos y de insumos alimentarios. Algunos ejemplos de biorrefinerías de este tipo están representados por la producción de bioetanol a partir de caña de azúcar o maíz y de biodiesel a partir de aceite de soja. Estas biorrefinerías no se encuentran diseñadas para hacer un uso eficiente de la biomasa, minimizar la utilización de energía y reciclar desechos de manera de optimizar el proceso económico. Las biorrefinerías de primera generación requieren de un uso del capital moderadamente intensivo, y una de sus principales desventajas consiste en que la fuente de biomasa que utiliza puede competir con la producción de alimentos. Por otra parte, tampoco han sido diseñadas para la obtención de productos de alto valor y los principales subproductos que generan son derivados de bajo costo para alimentación animal..

(17) Capítulo 1: Revisión bibliográfica.. 5. Las biorrefinerías de segunda generación hacen uso de la biomasa lignocelulósica. La principal ventaja de esta clase de biorrefinería es la recuperación de la fuente más abundante de carbono renovable en el planeta y la reducción de la dependencia de los cultivos de alimentos que son utilizados por las biorrefinerías de primera generación. Este tipo de biorrefinerías también mejora la utilización de energía y el reciclado de residuos, lo que implica descensos en los costos de producción. El desarrollo de enzimas de bajo costo y alto rendimiento son las principales cuestiones que deben abordarse para garantizar la viabilidad de las biorrefinerías de segunda generación. Las biorrefinerías de tercera generación (o biorrefinerías avanzadas), las cuales están aún en fase de desarrollo, utilizan indistintamente recursos de la biomasa de la agricultura o de los bosques para producir múltiples tipos de productos como etanol, combustibles, agroquímicos. y. plásticos. y. logran. un. uso. eficiente. de. los. desechos. (www.argentinainnovadora2020.mincyt.gob.ar/). Estas instalaciones aprovechan todas las posibilidades que ofrece la biomasa, reduciendo la generación de residuos (Acosta, 2013). Surge así el concepto de biorrefinería integrada como el de una instalación productiva en la que, al igual que las refinerías de petróleo, se produzcan combustibles, energía y diferentes líneas de productos químicos, de tal forma que se incremente la rentabilidad económica respecto a las instalaciones que produzcan exclusivamente biocombustibles y energía (Figura 1.1).. Figura 1.1: Comparación de los principios básicos de la refinería basada en el petróleo y de la biorrefinería basada en la biomasa..

(18) Capítulo 1: Revisión bibliográfica.. 6. La rentabilidad es la que está actuando como fuerza impulsora para la aceptación del concepto de biorrefinería integrada pues en ésta, además de energía y biocombustibles, se fabricarán un conjunto de productos químicos de alto valor añadido que permitirán no sólo incrementar su rentabilidad sino mantenerla ante las fluctuaciones del mercado (Gil, 2009). 1.1.3. Estado actual de las biorrefinerías en el mundo.. El incremento del precio del petróleo, la naturaleza finita de los combustibles fósiles y la preocupación con respecto al impacto ambiental, especialmente sobre la emisión de gases de efecto invernadero (GEI), han establecido la necesidad de buscar nuevas fuentes energéticas; así como desarrollar tecnologías alternas para motores de combustión (Balat, 2011). Debido a que aproximadamente el 98 % de las emisiones de carbono resultan de la combustión de energéticos fósiles (Balat and Balat, 2010). A partir de la crisis de petróleo en la década de 1970, surgió gran interés en desarrollar biocombustibles para el uso en medios de transporte en países como: Brasil, Estados Unidos, China, Kenya y Zimbawe (Timilsina and Shrestha, 2011). En la actualidad el sector de transporte es casi totalmente dependiente de los combustibles derivados de petróleo, alcanzando el 73,3 % del consumo global de petróleo. La mayoría de los expertos coinciden en que de continuar la extracción al ritmo actual, las reservas de petróleo se agotarán para mediados del presente siglo (Balat and Balat, 2010). A pesar de la existencia de tecnologías para captar energía solar, hídrica y eólica, el uso de biocombustibles líquidos y gaseosos a partir de biomasa permitirá cubrir gran parte de la demanda energética requerida para el transporte (Balat, 2011, Chisti and Yan, 2011). La creación de biocombustibles líquidos a partir de biomasa ha sido un gran logro de la biotecnología, porque son una fuente renovable y abundante en lugares donde los combustibles líquidos derivados de petróleo no están disponibles (Stephanopoulos et al., 2008). En años recientes se han estudiado los impactos económicos y ambientales de la producción de biocombustibles como etanol, metano, hidrógeno, y biodiesel. Resaltando la importancia del estudio de la producción de biodiesel, debido a que es la única tecnología capaz de sustituir el consumo de combustibles derivados de petróleo (Chisti, 2011), principalmente aquellos destinados para el sector de transporte. Además ofrece ventajas ambientales como la reducción de emisiones de GEIs hasta el 70-90 % con respecto al diesel convencional (Timilsina and Mevel, 2011)..

(19) Capítulo 1: Revisión bibliográfica.. 7. 1.1.3.1 Biorrefinerías en América Latina. En América Latina la producción de químicos a partir de productos renovables ha sido un tema de interés secundario. Los esfuerzos de los gobiernos y la comunidad científica se han centrado en la exploración y producción de biocombustibles, principalmente bioetanol y más recientemente biodiesel. Desafortunadamente, muchas de las iniciativas fomentadas en esta dirección con frecuencia generan polémica debido a un mal planteamiento agro-industrial, falta de previsión de los efectos de importación/exportación o a su falta de sostenibilidad (APER, 2007). Ningún país latinoamericano cuenta con una estrategia nacional que considere la producción centralizada. Esto se traduce debido a la escasez de fondos, falta de incentivos y de políticas fiscales que promuevan entre el sector productivo el interés en las biorrefinerías. Estos países pueden beneficiarse directamente de la producción local de biocombustibles, pero se requiere de un marco legal adecuado sobre bioenergía que proteja a comunidades rurales (ámbito social) y ecosistemas (ámbito ambiental) de la explotación desmedida por parte de grandes firmas transnacionales. En este sentido, la legislación de países latinoamericanos en materia de biocombustibles es muy reciente. Excluyendo los casos de Brasil (1975), Guatemala (1985) y Honduras (1988) las legislaciones son todas del siglo XXI. Los países latinoamericanos que cuentan con alguna legislación para biocombustibles según (Ajila and Chiliquinga, 2007) se muestran en la Tabla 1.1. Tabla 1.1: Países latinoamericanos con legislaciones para biocombustibles. Países Nicaragua Perú Colombia Costa Rica Ecuador Paraguay Bolivia Argentina. Año 2002 2003 2004 2004 2004 2005 2005 2006. Recientemente se han consolidado similares legislaciones en Chile, Cuba, El Salvador, México, Panamá, República Dominicana, Uruguay y Venezuela. Sin embargo, a pesar de ser legislaciones nuevas, ninguna contempla la producción de químicos renovables o introduce la figura de las biorrefinerías. El país latinoamericano con plataforma tecnológica más favorable para el establecimiento.

(20) Capítulo 1: Revisión bibliográfica.. 8. de biorrefinerías es Brasil. Su experiencia obteniendo energía a partir de caña de azúcar se remonta a 1975 con el Programa Nacional de Alcohol, con el que se logró un avance arrollador en la sustitución de gasolina por alcohol, logrando que el 96 % de los vehículos en el mercado operen con 100 % de bioetanol en 1985 (Moreira, 1999). Esta experiencia comenzó a extrapolarse a la producción de biodiesel en 2004-2005, esto con la visión de utilizar biodiesel en mezclas en sustitución del petrodiesel (Program, 2004). Por su parte, en Chile se han realizado dos congresos internacionales en 2006 y 2009 (Congreso Latinoamericano de Biorrefinerías). Aunque la temática se ha centrado principalmente en el tema de la biorrefinería forestal, se han manejado también temas como la transformación bioquímica, la transformación termoquímica y la transformación química o física, así como las implicaciones en materia política y el contexto internacional. Además de la biorrefinería forestal, se han realizado estudios extensos sobre la producción de biocombustibles a partir de microalgas (Prat, 2005, Rivero et al., 2010). Tanto EE.UU como la UE, así como Canadá y Japón, llevan ventaja en el desarrollo de biorrefinerías. Aunque tecnológicamente la biorrefinería integrada está en sus inicios en todo el mundo, la ventaja de estos países radica en que consideran, en menor o mayor medida, el desarrollo de biorrefinerías como una estrategia nacional a 20 años. Esto los lleva a coordinar mejor los esfuerzos de I+D+I, aprovechando mejor los recursos e incrementando las probabilidades de cubrir las prioridades nacionales (Rivero et al., 2010). 1.1.3.2 Biorrefinería en Cuba. La biorrefinería de la caña de azúcar obliga a la integración de la destilería con la producción de azúcar y la caña de azúcar como materia prima principal, lo que posibilita no sólo el empleo de las mieles finales, sino también de los jugos, mieles intermedias y el uso del bagazo y residuos de cosecha como energéticos, evitando la quema y requema de cañaverales y el necesario manejo agroecológico de la caña de azúcar (Rivero et al., 2010). Por otra parte, la diversificación y el establecimiento de biorrefinerías de la agroindustria azucarera es una tarea compleja y se ve limitada por la productividad del cultivo, derivada a su vez de condiciones biofísicas y socioeconómicas, y por múltiples actores con diferentes objetivos, estrategias y percepciones. El desarrollo de la industria azucarera ha permitido el surgimiento en Cuba de una fuerte producción de derivados a partir de los productos residuales o subproductos, como son los residuos de la cosecha, el bagazo, las mieles finales y la cachaza; por lo que si se.

(21) Capítulo 1: Revisión bibliográfica.. 9. integra el uso de las mismas en una zona azucarera, se hará más sustentable la economía del país y se obtendrá un desarrollo en el concepto de biorrefinería (ICIDCAGEPLACEA-PNUD, 1988). Al dejar de ser los residuos desechables y convertirse luego de su transformación en productos de interés económico; la miel se convierte en proteína y combinada con bagacillo se emplea para la alimentación animal, se incrementa el uso del bagazo en la producción de tableros, de pulpa y papel, se extrae cera de la cachaza, se hacen más eficiente los sistemas energéticos de los centrales y se obtiene otra diversidad de productos de alto interés económico. Aun cuando el aprovechamiento de los subproductos no alcanza sus límites, se ha necesitado explorar nuevas alternativas de dichas materias primas para la obtención de otros derivados que contribuyan a revalorizar la caña de la forma más alta posible (ICIDCA-GEPLACEA-PNUD, 1988). Es aquí donde se hace necesario señalar la obtención de biocombustibles de tercera generación, derivados a partir de la biomasa algal, en este caso el bioetanol y el biodiesel, en este último se ha profundizado en mayor medida. Bien se conoce que en Cuba, hasta el momento, la única fuente de obtención de bioetanol es a partir de las mieles separadas en el proceso de producción de azúcar. En su proceso productivo se generan las vinazas como un residual altamente contaminante, constituyendo el principal problema de contaminación que presentan las destilerías en el país. Dentro de los usos que se le ha dado se encuentra para la producción de biogás, fertirriego así como la producción de levadura-torula en plantas aledañas a las propias destilerías. Sin embargo, en países como Colombia, se ha comenzado a estudiar el uso de este residual como medio de cultivo para el crecimiento de microalgas y que a su vez estas se puedan aprovechar para la obtención de biocombustibles de Tercera Generación, como bioetanol y biodiesel en plantas, que aunque sean de menor escala, constituyen una alternativa tentadora para la integración dentro del concepto de biorrefinería. De esa forma no solo se obtendría otra vía para la disposición de las vinazas, sino que a su vez se emplearía el CO2 desprendido en la fermentación, para favorecer el crecimiento de las algas y constituyera el primer paso en la obtención de biocombustibles a partir de microalgas, lográndose de esta forma la disminución de su demanda en el país. Así, se emplearían las ventajas de las vinazas, pues, además de generarse en gran cantidad, contienen alta carga de sales de potasio, fósforo, nitrógeno, metales pesados, materia orgánica, bajos pH, color oscuro, alta demanda bioquímica y química de oxígeno.

(22) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 10 así como derivados fenólicos y sulfónicos que producen mal olor (Singh and Patel, 2012). Por lo que se puede decir que el crecimiento de microalgas en aguas residuales presenta un doble beneficio: mejora la calidad de los vertimientos por la remoción de componentes contaminantes orgánicos e inorgánicos solubles y permite el crecimiento de biomasa aprovechable para la obtención de diversos productos. Basado en esto, la producción de biocombustibles (biodiesel, bioetanol, etc.) de Tercera Generación a partir de microalgas ha surgido como una opción prometedora debido a las características favorables de esta materia prima. De esta forma se hacen más eficientes los sistemas energéticos de los centrales y se obtiene otra diversidad de productos de alto interés económico (Orozco, 2015), como se desglosan en el esquema de la Figura 1.2.. Figura 1.2: Productos derivados del proceso azucarero..

(23) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 11 1.2 1.2.1. Fuentes de biomasa. Las algas como fuente de biomasa.. Una alternativa ambiental y económicamente factible para la sustitución de combustibles de origen fósil es la producción de biocombustibles a partir de microalgas. Denominando este tipo de producción como de tercera generación. El cultivo de algas no requiere grandes extensiones de terreno, ni compite con otros cultivos alimenticios. La principal característica de estos microorganismos es que captan dióxido de carbono o anhídrico carbónico (CO2), contribuyendo a la absorción de este gas, principal constituyente del conjunto de GEI. Debe considerarse que en nuestra región, se produce CO2 en la actividad agroindustrial más importante: la industria sucro-alcoholera. Se genera este gas tanto en la combustión del bagazo en las calderas, como en la fermentación alcohólica, por lo que el proceso de industrialización de la caña de azúcar puede convertirse en una potencial fuente de CO2 necesario para el cultivo de microalgas. Las microalgas tienen la capacidad de acumular lípidos o ácidos grasos que pueden utilizarse como materia prima para la producción de biocombustibles. Esta situación hace pensar que la producción de estas es una interesante opción a considerar, ya que se cuenta además con residuos líquidos que podrían emplearse como sustrato, siendo ejemplo de esto los efluentes cloacales y la vinaza (Bravo et al.). La aplicación del concepto de biorrefinería puede ser clave en esta consecución, así se considera esencial para conseguir algún día la viabilidad económica de los procesos basados en algas para la producción de biocombustibles. Un ejemplo del tipo de biorrefinería que se puede lograr a partir de la biomasa de microalgas se aprecia en la Figura 1.3..

(24) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 12. Figura 1.3: Biorrefinería que se puede lograr a partir de la biomasa de microalgas.. 1.2.1.1 Características generales de las microalgas. Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes (cianobacterias) y eucariontes, que se localizan en hábitats diversos, tales como aguas marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de temperaturas, pH y disponibilidad de nutrientes; se les considera responsables de la producción del 50 % del oxígeno y de la fijación del 50 % del carbono en el planeta. Su biodiversidad es enorme, se han identificado alrededor de 40,000 especies aunque se estima que existen más de 100,000, de las cuales con frecuencia se desconoce su composición bioquímica y metabolismo. Se clasifican de acuerdo a varios parámetros tales como pigmentación, ciclo de vida, morfología y estructura celular. Su composición química varía dependiendo de la especie, nutrientes, temperatura, fuente de carbono, intensidad y color de la luz, entre otros. Se ha encontrado que en una composición química promedio puede ser la que aparece en la Figura 1.4. (Carvajal, 2015)..

(25) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 13. Figura 1.4: Composición de las algas.. Estas características, las hace ideales para producirlas como materia prima y/o producto terminado, con valor agregado, debido a las biomoléculas que acumulan durante su desarrollo, entre estas se pueden citar a las proteínas, lípidos, carbohidratos, pigmentos entre otros que son aprovechados por el hombre para su beneficio. La productividad de las microalgas está determinada, principalmente, por el pH del medio, la salinidad, la disponibilidad y concentración de nutrientes, la intensidad y el tipo de luz, la densidad celular del cultivo, la temperatura y la contaminación o la depredación por otros organismos. En promedio, las microalgas doblan su biomasa en 24 horas. Sin embargo, en fase exponencial algunas algas pueden doblar su biomasa en tiempos cortos como 3,5 horas (Carvajal, 2007). Para su producción existen 2 diseños básicos (Borowitzka, 1999, Contreras-Flores et al., 2003, Tredici, 2004): los cultivos abiertos, donde la biomasa está expuesta a las condiciones medioambientales; y los cultivos cerrados, denominados fotobiorreactores o PBR (por sus siglas en inglés), con poco o ningún contacto con el medio externo (Borowitzka, 1999, Contreras-Flores et al., 2003, Tredici, 2004) como se muestra en la Figura 1.5., no obstante, actualmente, se están investigando los mejores sistemas, debido a que no existe unanimidad de criterios..

(26) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 14. Figura 1.5: Sistemas utilizados para el cultivo de microalgas: (a) estanque abierto, (b) Fotobiorreactor de placa delgada, (c) Fotobiorreactor tubular inclinado y (d) Fotobiorreactor continuo horizontal.. 1.2.2. Cachaza como fuente de biomasa.. La cachaza es el residuo en forma de torta que se elimina en el proceso de clarificación del jugo de caña. Durante la fabricación del azúcar crudo, la cachaza constituye el 17 % de residuos por el uno porciento de azúcar cristalizada. Es un material marrón oscuro, constituido por una mezcla de fibra de caña, sacarosa, coloides, coagulados, incluyendo la cera, fosfato de calcio, partículas de suelo y una importante presencia de elementos minerales. No obstante, su composición puede variar en dependencia de las características de la planta y de las condiciones en que se lleve a cabo el proceso de obtención de azúcar. Algunos valores promedios se reportan en la Tabla 1.2. Tabla 1.2: Composición química de la cachaza. Composición. %. Cenizas. 14,9-31,0. Lípido. 10,7-16,9. MgO. 0,3-0,6. La cachaza se ha empleado mayormente como fertilizante pues mejora la estructura superficial del suelo; aumenta su infiltración; es fuente de fósforo (P), potasio (K), nitrógeno (N), y materia orgánica que al descomponerse forma anhídrido carbónico (CO 2) y después ácido carbónico, aumentando la solubilidad del carbonato de calcio (CaCO3) presente en el suelo, aportando así calcio (Ca). Unido a las ventajas que presenta la cachaza como fertilizante se encuentran algunos inconvenientes pues presenta olor.

(27) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 15 desagradable, baja densidad específica y alto contenido de humedad. Además es una masa amorfa de difícil manipulación, fuente de criaderos de insectos y otras alimañas y puede realizar la combustión espontánea al exponerse por cierto tiempo al sol (Orozco, 2015). También este residuo se puede aprovechar para la obtención de un combustible renovable, en este caso biodiesel, con muchas potencialidades de ser aprovechado en la reducción del combustible consumido por los propios transportes de la empresa azucarera donde se inserte una planta para su producción, teniendo un elevado impacto económico, ambiental y, por supuesto, social (Feyt, 2007). En el caso de que se emplee como materia prima para la obtención de biodiesel, la misma está constituida por ésteres de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes de alto peso molecular, por lo que se obtienen alcoholes de alto peso molecular, como coproducto de la reacción. Al contrario de los aceites vegetales y grasas animales, el aceite de cachaza no es un triglicérido, sino una mezcla de ésteres (97-98 %) de cadena larga, de ácidos grasos y alcoholes grasos, donde ambos grupos son de elevado peso molecular. La hidrólisis de este tipo de aceite produce un ácido y un alcohol, cada uno de los cuales habitualmente contiene de 16 a 30 átomos de carbono y en algunos casos más (Brewster, 1963). Muchos autores han realizado estudios sobre la composición química del aceite de cachaza: quienes reportan que contiene 35,5 % de ácidos y 60 % de materia no saponificable (alcoholes). Los ácidos que mayormente se encuentran en este aceite y los alcoholes de elevado peso molecular se reportan en la Tabla 1.3 (Vera, 1999): Tabla 1.3: Ácidos y alcoholes superiores presentes en el aceite de cachaza. Ácidos. Alcoholes. Linoleico (38,1%) Palmítico (29,2%). 1-octacosanol triacontanol (alcohol melísico) Eiocosanol Tertracosanol hexacosanol. Oleico (20%). 1.2.3. Bagazo como fuente de biomasa.. La caña de azúcar es una planta de características excepcionales, capaz de sintetizar carbohidratos solubles y materiales fibrosos a un ritmo muy superior al de otros cultivos. Esta propiedad le abre un amplio espectro de aprovechamiento para un elevado número.

(28) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 16 de derivados y subproductos (Augusto, 2004, Gálvez, 2004, Morales and González, 2007). El bagazo representa alrededor de un 30 % de la caña procesada y en estos momentos adquiere en Cuba un uso creciente, en la medida en que avanza un estratégico programa de diversificación. Es el mayor subproducto de la industria azucarera y se usa fundamentalmente en la generación de energías térmica y eléctrica para el consumo de los ingenios y plantas de derivados (Gálvez, 1988, González et al., 1997, Díaz, 2000). Los datos de la literatura indican que el bagazo contiene celulosa, pentosanos, lignina, según aparece en la Tabla 1.4 que hace que su composición química sea más cercana a la de las maderas duras que a la de las maderas blandas (Gastón et al., 2000, Banerjee and Pandey, 2002). Los xilanos son, después de los glucanos, los carbohidratos más importantes en el bagazo. La xilosa representa casi un tercio del contenido de azúcares en los hidrolizados de bagazo (Puls et al., 1993). Tabla 1.4: Composición química del bagazo. Compuesto. %. Celulosa Pentosanos Lignina. 41-52 25-30 18-25. Del bagazo y el bagacillo, por ejemplo, se obtienen celulosa, furfural, etanol, carbón activado, alimento para ganado, tablones aglomerados y moldeados, plásticos como el acetato de celulosa o rayón y relleno en plásticos, concreto y otros materiales de construcción (Fernández, 1997, Moreda.C and Fernández, 1997). Un diagrama de estos productos se puede observar en el Anexo 1. La obtención de productos de alto valor agregado, a partir del bagazo implican varias premisas que deben conformar la estrategia para la correcta diversificación de esta materia prima como (Fernández, 2000): . Disponer de un mercado seguro para todos los productos integrados que garanticen la efectividad empresarial del proceso.. . Disponer de tecnologías viables para la separación de los polímeros naturales que lo componen. (celulosa, lignina y xilosa); así como, lograr la purificación y calidad requerida de cada uno de ellos para el producto específico..

(29) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 17 . Integrar el proceso de producción para el producto en cuestión con las restantes corrientes que se generan que no pueden ser consideradas residuos por su magnitud y valor.. 1.3. Biocombustibles.. El biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que se derive de la biomasa. Es una fuente renovable de energía, a diferencia de otros recursos naturales como el petróleo, carbón y los combustibles nucleares. Aunque se puede hablar de muchos tipos de biocombustible, por su importancia, aplicación y volumen de producción, básicamente hay dos: el bioetanol y el biodiesel. Se cree que pueden sustituir a los combustibles fósiles más tradicionales, en virtud de su bajo o nulo deterioro ambiental y sus características de renovación (García and Triñanes). 1.3.1. Ventajas y desventajas de los biocombustibles.. Ventajas: -. No incrementan los niveles de CO2 en la atmósfera, con lo que se reduce el peligro del efecto invernadero.. -. Proporcionan una fuente de energía reciclable y, por lo tanto, inagotable.. -. Revitalizan las economías rurales, y generan empleo al favorecer la puesta en marcha de un nuevo sector en el ámbito agrícola.. -. Se podrían reducir los excedentes agrícolas que se han registrado en las últimas décadas.. -. Se mejora el aprovechamiento de tierras con poco valor agrícola y que, en ocasiones, se abandonan por la escasa rentabilidad de los cultivos tradicionales.. -. Se mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales.. Desventajas: -. El costo de producción de los biocombustibles casi dobla al del de la gasolina o gasóleo (sin aplicar impuestos). Por ello, no son competitivos sin ayudas públicas.. -. Se necesitan grandes espacios de cultivo, dado que del total de la plantación sólo se consigue un siete porciento de combustible.. -. Potenciación de monocultivos intensivos, con el consiguiente uso de pesticidas y herbicidas..

(30) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 18 -. El combustible precisa de una transformación previa compleja. Además, en los bioalcoholes, la destilación provoca, respecto a la gasolina o al gasóleo, una mayor emisión en dióxido de carbono.. -. Su uso se limita a un tipo de motor de bajo rendimiento y poca potencia.. 1.3.2. Tipos de biocombustibles.. 1.3.2.1 Biodiesel. Es un biocombustible líquido compuesto de alquil-ésteres de alcoholes de cadena corta como el etanol y metanol, con ácidos grasos de cadena larga obtenidos a partir de biomasa renovable: aceites vegetales, grasas animales o aceite de microalgas, Figura 1.6.. (Robles-Medina et al., 2009). Sus principales materias primas incluyen aceites. vegetales como: soya, jatropha, semilla de colza, mahua, mostaza, lino, girasol, aceite de palma, cáñamo, algas, entre otras. El biodiesel puede ser usado en cualquier motor de diesel cuando es mezclado con diesel mineral. Además, es un combustible oxigenado, pues contiene una cantidad reducida de carbono y un contenido alto de hidrógeno y oxígeno más que el diesel fósil, lo cual mejora la combustión del biodiesel y reduce las partículas de emisión del carbono no quemado. Es un producto seguro para su transporte y manejo debido a su elevado punto de inflamación (150°C) y baja volatilidad (Demirbas, 2009).. Figura 1.6: Fórmula general del biodiesel.. Este combustible cuando procede de algas, no contiene sulfuros, ni sulfatos, no es tóxico, y es altamente biodegradable lo que constituye una ventaja para su empleo (Saavedra, 2009). No obstante existen factores importantes que le aportan ciertas desventajas como el contenido energético es algo menor que el del diésel (entre cinco y ocho porciento), por lo que su consumo es ligeramente mayor en los motores actuales. Además, en general el biodiesel presenta problemas de fluidez y congelamiento a bajas temperaturas (<0°C), y si es de mala calidad (con un bajo número de cetano) puede incrementar las emisiones de NOx. (óxidos. de. nitrógeno),. (www.panoramaacuicola.com).. un. compuesto. altamente. contaminante.

(31) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 19 . Biodiesel a partir de biomasa microalgal.. La producción de biodiesel a partir de microalgas es un proceso conformado, en términos generales, por las etapas elementales de producción de biomasa rica en lípidos: recuperación o cosecha de la biomasa, extracción de los lípidos y transesterificación, como se indica en el Anexo 2A (Monthieu, 2010). La biomasa puede ser recolectada por centrifugación, filtración o en ciertos casos por sedimentación gravitacional, procesos que pueden ser precedidos por una etapa de floculación. Esta etapa puede ser problemática ya que las células de las algas son de dimensión pequeña (alrededor de 3 a 30 μm de diámetro). El proceso de extracción depende de factores intrínsecos de las microalgas como su tamaño o tipología, así como de la tecnología seleccionada para la obtención de aceite, donde se exigen elevados rendimientos de forma económica. Se puede extraer el aceite de las algas con éstas deshidratadas o húmedas. La primera opción mecánica es la extracción mediante prensas, pero en este caso las algas deben ser previamente desecadas. Este método se puede utilizar junto con la extracción con solventes orgánicos permitiendo obtener rendimientos grandes en aceite. También se puede realizar la extracción por vía enzimática, utilizando enzimas para degradar las paredes celulares; a través del empleo de fluidos supercríticos como el dióxido de carbono y por último la extracción con ultrasonidos. La reacción química como proceso industrial utilizado en la producción de biodiesel es la transesterificación (también llamada alcohólisis) aunque también sea también posible obtenerlo por esterificación. Consiste en la reacción de los aceites (triglicéridos) con un alcohol de bajo peso molecular, casi siempre metanol, en presencia de un catalizador alcalino, generalmente hidróxido de sodio NaOH, para producir metilésteres y glicerina. Normalmente se trabaja a presión atmosférica y temperatura de unos 65°C, con agitación rápida y constante para una correcta mezcla. La transesterificación consta de tres reacciones consecutivas y reversibles como se muestra en la Figura 1.7 y se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de tres a uno. El rendimiento final que se suele obtener es alrededor del 95 %..

(32) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 20. Figura 1.7: Mecanismo de reacción de transesterificación.. El subproducto originado, glicerina, tiene un valor económico añadido que puede compensar parte de los gastos al utilizarse para la fabricación de cremas para las manos, jabones, pastas dentífricas, lubricantes. . Biodiesel a partir de cachaza.. La tecnología para la producción de Biodiesel a partir del aceite extraído de la cachaza consta de cinco etapas fundamentales (Carvajal, 2007). En la primera se extrae el aceite de la cera de la cachaza, utilizando como solvente orgánico la nafta; el solvente se recupera mediante la evaporación, logrando reincorporar al proceso hasta un 97 % del mismo, para su posterior reutilización. En esta etapa además se obtiene el aceite de cachaza “limpio”, el cual es posteriormente utilizado en la obtención del Biodiesel. Posteriormente, en la reacción de transesterificación, se hace reaccionar al aceite extraído libre de solvente y el etóxido (preparado a partir de etanol con hidróxido de sodio, el cual actúa como agente catalizador). De esta reacción se obtiene el biodiesel y los alcoholes de alto peso molecular, los cuales pueden ser aprovechados por otros sectores.

(33) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 21 industriales. En el Anexo 2B se muestra el esquema general del proceso descrito anteriormente.. 1.3.2.2 Bioetanol. Denominado también etanol de biomasa, es un alcohol que se obtiene por fermentación de productos azucarados como remolacha, caña de azúcar o sorgo, o también de trigo, cebada y maíz. El resultado final puede sustituir los combustibles altamente contaminantes como la gasolina o nafta. Es el producto que identifica al etanol o alcohol etílico. Este compuesto, como biocombustible, puede ser usado solo o bien como una mezcla con gasolina en diferentes proporciones. La producción de bioetanol, puede ser una forma de producción diferente que permite mitigar los problemas que tiene la extracción de petróleo, lo cual afecta profundamente a la fauna y flora en los lugares donde se realizan los pozos petroleros y sus zonas de vida alrededor (Briggs, 2011). Al ser renovable y producido localmente, el etanol permite disminuir la dependencia del petróleo, lo que mejora la seguridad energética de los países. Esto es aún más importante para los países no productores de petróleo, dado que la mayoría de este se encuentra en zonas de alta inestabilidad política, como el Medio Oriente, y que la tendencia de los precios es continuar aumentando o manteniéndose elevados (Texo et al., 2009). Las principales ventajas del uso de bioetanol como combustible se encuentran en la reducción de las GEI y las necesidades de petróleo en comparación con la gasolina. . Bioetanol de segunda generación.. La obtención de etanol a partir de residuos lignocelulósicos, sigue el mismo esquema que el proceso con biomasa azucarada o amilácea, como se muestra en la Figura 1.8. No obstante, la complejidad estructural de la biomasa lignocelulósica, hace necesaria una etapa de pretratamiento eficaz para lograr incrementar el balance global de los procesos de conversión posteriores (Morales, 2012). El objetivo del pretratamiento es romper la estructura de la fibra de lignocelulosa para facilitar el ataque enzimático. Durante el pretratamiento se produce el fraccionamiento de la biomasa en sus componentes principales (celulosa, hemicelulosa y lignina), la reducción de la cristalinidad de la celulosa y el aumento del área superficial accesible (HSU, 1996)..

(34) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 22. Figura 1.8: Etapas en el procesamiento de los materiales lignocelulósicos.. El pretratamiento constituye una de las etapas más costosas y menos desarrolladas del proceso de obtención de azúcares a partir de la biomasa lignocelulósica, por lo que la mejora del mismo constituye una de las líneas de investigación preferentes en esta área (Wyman, 2005). La heterogeneidad de la biomasa hace que no exista un pretratamiento válido para todas ellas. La elección del pretratamiento dependerá de la composición de la materia prima y de las aplicaciones posteriores. Atendiendo a su naturaleza los pretratamientos pueden clasificarse en físicos, químicos, térmicos y biológicos, además de las posibles combinaciones entre ellos (Cheng, 2002). El pretratamiento físico puede ser mecánico, como el astillado y la molienda, o no mecánico, en los que la alteración del material se logra mediante agentes externos, como los tratamientos con radiación y la pirólisis a temperaturas intermedias. En los pretratamientos químicos se emplean agentes químicos para alterar la estructura lignocelulósica y solubilizar los azúcares. Entre los pretratamientos químicos más estudiados se encuentran, los que utilizan ácidos, álcalis, disolventes orgánicos y agentes oxidantes (HSU, 1996, Cheng, 2002). La hidrólisis ácida puede realizarse con ácidos diluidos o concentrados como: sulfúrico, clorhídrico, fosfórico, nítrico y fórmico, entre otros. Cuando se emplean ácidos concentrados, generalmente se opera a bajas temperaturas, obteniéndose altos.

(35) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 23 rendimientos; por ejemplo, a partir de una mezcla de astillas de maderas duras y blandas, se ha obtenido un 82 % de eficiencia en la obtención de azúcares mediante el empleo de ácido sulfúrico al 26 % en peso (Iranmahboob et al., 2002, Hernández et al., 2005). Estos métodos estudiados, basados en la hidrólisis del bagazo con ácidos y bases, requieren de procesos de neutralización, equipos costosos y alto consumo de energía; por lo que su costo es mucho más alto en comparación con el valor del producto. Recientemente, el uso de líquidos iónicos para el tratamiento de la biomasa lignocelulósica ha ganado considerable evidencia, sobre todo debido a la designación de estos reactivos como “disolventes verdes”. Estos líquidos han sido reportados como capaces de disolver celulosa y materiales lignocelulósicos tales como paja de arroz, paja de trigo, madera, entre otros (Garriga, 2015). La última etapa del tratamiento del bagazo la constituye la hidrólisis enzimática, la cual presenta, al menos, tres ventajas potenciales frente a los procesos catalizados por ácidos: mayores rendimientos de azúcares debido a que es un proceso muy específico, menor costo de equipo ya que se realizan a presión atmosférica y bajas temperaturas aunque los costos de adquisición se incrementan debido a la utilización de equipos en serie en función de la capacidad, y por otra parte, no existe producción de sustancias tóxicas como consecuencia de la degradación de los azúcares que pudieran comprometer la fermentación posterior (Larsson et al., 1997, Martin et al., 2002, Söderström et al., 2003). Para efectuar esta hidrólisis, suele utilizarse un complejo enzimático compuesto por endo y exoglucanasas suplementadas con ß-glucosidasas cuyo objetivo es asegurar la ruptura de las moléculas de celobiosa generadas por la acción de las otras enzimas (Breuil et al., 1990). En función de la concentración de enzima, la concentración de sustrato y el tiempo de operación, el ataque enzimático resulta en una disolución de glucosa, que puede utilizarse como medio de fermentación para su transformación en etanol y en un residuo sólido (Larsson et al., 1997, Martin et al., 2002, Söderström et al., 2003). Las. principales. dificultades. para. hidrolizar. por. vía. enzimática. los. materiales. lignocelulósicos están relacionadas, con la baja actividad específica de las enzimas de las que se dispone en la actualidad y por tanto con la necesidad de un elevado consumo de las mismas durante el proceso y con la propia estructura de los sustratos lignocelulósicos nativos. A pesar de ello, la hidrólisis enzimática de residuos celulósicos es uno de los caminos más prometedores (Lynd et al., 2002). La incorporación de la etapa de hidrólisis enzimática en un central azucarero con una planta de etanol tradicional permitirá: aprovechar un residuo lignocelulósico con contenido.

(36) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 24 de azúcares a fermentar logrando reducción de miel por concepto de compra en tiempo de no zafra; incrementar capacidades de producción no aprovechadas, es de interés el etanol para la exportación y para la industria ronera y la adaptación de la industria azucarera cubana como una biorrefinería integrada (Morales, 2012). . Bioetanol a partir de microalgas.. El contenido de aceite de algunas microalgas excede el 80 % en peso seco de biomasa algal (Belarbi et al., 2000, Guanhua et al., 2010). Extraído este aceite la pasta residual cobra un gran interés debido a su alto contenido de almidón, el cual es convertido por enzimas u otros procesos de sacarificación a azúcares (Singh and Gu, 2009), los cuales son convertidos a etanol por la acción de microorganismos como levaduras (Mustafa, 2011). La producción de etanol usando microalgas como materia prima puede llevarse a cabo de acuerdo al procedimiento descrito a continuación. En primer lugar, el almidón de microalga es liberado de las células por la acción de un equipo de ruptura celular como los homogenizadores de alta presión, o por acción de enzimas. Cuando las células comienzan a degradarse, la levadura Saccharomycess cerevisiae es agregada a la biomasa para que comience la fermentación. El producto obtenido en la fermentación es Bioetanol el cual puede ser destilado y alimentado a un equipo de tamices moleculares para conseguir un grado de pureza analítico. El etanol producido se basa en la fotosíntesis microalgal y la fermentación anaeróbica intracelular (Obando, 2011). 1.4. Ventajas de la obtención de biocombustibles a partir de algas, cachaza y bagazo.. En estos momentos los mayores inconvenientes de los biocombustibles radican en la utilización de cultivos de vegetales comestibles (como el maíz o la caña de azúcar); o el cambio de uso de tierras dedicadas al cultivo de vegetales para la alimentación destinados a producir biocombustibles, provocando en ocasiones la deforestación o desecación de terrenos vírgenes o selváticos (Orozco, 2015). Las algas, al ser un grupo de organismos netamente acuáticos no requieren de tierra para su cultivo, y por tanto no compiten con ningún otro cultivo por un recurso limitante, la tierra. Aún, si fuera necesario su cultivo sobre la tierra, este podría hacerse en zonas marginales, de ningún o escaso uso alternativo (MENG et al., 2009). El agua utilizada en su cultivo puede ser residual, dulce o salada, y si es de este último tipo, la concentración.

(37) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 25 de sales puede ser dos veces la del agua marina. Esto significa que tampoco competirían por el recurso, también limitado. Las algas tienen como ventaja además, mayor capacidad de absorber CO2 con respecto a las plantas verdes, sin sufrir la inhibición del proceso fotosintético bajo condiciones de intensa incidencia lumínica. Por otra parte, la cachaza es una fuente de ácidos grasos que, hasta ahora, no ha sido objeto de atención a nivel mundial para la producción del biodiesel como combustible renovable. La cantidad de aceite presente en la cachaza oscila alrededor del 12 porciento del peso (Vera, 1999) y presenta algunas ventajas para su empleo como sustrato, pues su costo es muy bajo debido a que proviene de un residuo agroindustrial, tiene bajo contenido de ácidos grasos libres que pueden perjudicar la reacción y presenta una gran disponibilidad en nuestro país. La utilización del aceite de cachaza como fuente para la producción de biodiesel, es una forma de obtener un biocombustible sin utilizar como materia prima fuentes de alimentos, ni emplear tierras para el cultivo de materias primas con ese fin (Feyt, 2007). El uso del bagazo en la producción de biocombustibles, como el bioetanol, reduce netamente la emisión de carbono, lo cual tiene una incidencia muy positiva en la problemática de cambio climático causado por los Gases de Efecto Invernadero (GEI). Produce una fuente más limpia de combustibles, porque reduce la necesidad de incorporar aditivos altamente tóxicos como el benceno, además constituye una fuente de materia prima de fácil acceso en Cuba, que en estos momentos no se le explotan todas sus posibilidades de aplicación..

(38) Capítulo 1: Revisión bibliográfica. 26 Conclusiones parciales. . Al integrar una industria azucarera en el concepto de biorrefinería se logrará la diversificación de sus producciones obteniéndose biocombustibles y productos químicos que permitirán incrementar su rentabilidad.. . El empleo de las microalgas, la cachaza y el bagazo, como fuente de biomasa para la obtención de biocombustibles, constituye una ventaja, pues no compiten con productos que sean destinados a la alimentación ni por el uso de agua y tierras dedicadas a su cultivo.. . La obtención de biodiesel a partir de cachaza y biomasa microalgal así como la producción de bioetanol empleando miel, bagazo y microalgas permiten integrar una industria azucarera en el concepto de biorrefinería..