Bioetanol

¿Qué es el bioetanol?

El combustible principal utilizado como sustituto de la gasolina para los vehículos de transporte por carretera es el bioetanol. El combustible de bioetanol se produce principalmente por el proceso de fermentación del azúcar, aunque también se puede fabricar por el proceso químico de reacción de etileno con vapor.
Las principales fuentes de azúcar requeridas para producir etanol provienen de combustibles o cultivos energéticos. Estos cultivos se cultivan específicamente para el uso de la energía e incluyen cultivos de maíz y trigo, paja de desecho, sauces y árboles populares, aserrín, hierba de cana de caña, hierbas del cordón umbilical, alcachofa de Jerusalén, miscantos y sorgo. También hay investigación y desarrollo en curso sobre el uso de desechos sólidos municipales para producir combustible de etanol.
El etanol o el alcohol etílico (C2H5OH) es un líquido transparente e incoloro, es biodegradable, de baja toxicidad y causa poca contaminación ambiental si se derrama. El etanol se quema para producir dióxido de carbono y agua. El etanol es un combustible de alto octanaje y ha reemplazado al plomo como un potenciador del octano en la gasolina. Al mezclar etanol con gasolina también podemos oxigenar la mezcla de combustible para que se queme más completamente y reduzca las emisiones contaminantes. Las mezclas de combustible de etanol se venden ampliamente en los Estados Unidos. La mezcla más común es el 10% de etanol y el 90% de gasolina (E10). Los motores de los vehículos no requieren modificaciones para funcionar con E10 y las garantías de los vehículos tampoco se ven afectadas. Solo los vehículos de combustible flexible pueden funcionar con mezclas de hasta 85% de etanol y 15% de gasolina (E85).

¿Cuáles son los beneficios del bioetanol?

El bioetanol tiene una serie de ventajas sobre los combustibles convencionales. Viene de un recurso renovable, es decir, de cultivos y no de un recurso finito, y los cultivos de los que proviene son cereales, la remolacha azucarera y el maíz. Otro beneficio sobre los combustibles fósiles son las emisiones de gases de efecto invernadero. La red de transporte por carretera representa el 22%  de todas las emisiones de gases de efecto invernadero y mediante el uso de bioetanol, algunas de estas emisiones se reducirán a medida que los cultivos de combustible absorban el CO2 que emiten durante el crecimiento. Además, la mezcla de bioetanol con gasolina ayudará a prolongar la vida útil de la disminución de los suministros de petróleo en el Reino Unido y garantizar una mayor seguridad del combustible, evitando una gran dependencia de las naciones productoras de petróleo.

Al fomentar el uso de bioetanol, la economía rural también recibirá un impulso por el cultivo de los cultivos necesarios. El bioetanol también es biodegradable y mucho menos tóxico que los combustibles fósiles. Además, el uso de bioetanol en motores más antiguos puede ayudar a reducir la cantidad de monóxido de carbono producido por el vehículo, mejorando así la calidad del aire. Otra ventaja del bioetanol es la facilidad con la que se puede integrar fácilmente en el sistema de combustible de transporte por carretera existente. En cantidades de hasta el 5%, el bioetanol se puede mezclar con el combustible convencional sin necesidad de modificaciones en el motor. El bioetanol se produce utilizando métodos familiares, como la fermentación, y se puede distribuir utilizando los mismos sistemas de transporte y transporte de gasolina que antes.

La producción de bioetanol

El etanol se puede producir a partir de biomasa por los procesos de hidrólisis y fermentación del azúcar. Los desechos de biomasa contienen una mezcla compleja de polímeros de carbohidratos de las paredes celulares de las plantas conocidas como celulosa, hemicelulosa y lignina. Para producir azúcares a partir de la biomasa, la biomasa se trata previamente con ácidos o enzimas para reducir el tamaño de la materia prima y abrir la estructura de la planta. Las porciones de celulosa y hemicelulosa se descomponen (hidrolizan) mediante enzimas o ácidos diluidos en azúcar de sacarosa que luego se fermenta en etanol. La lignina que también está presente en la biomasa se utiliza normalmente como combustible para las calderas de las fábricas de producción de etanol. Existen tres métodos principales para extraer azúcares de la biomasa. Estos son hidrólisis ácida concentrada, hidrólisis ácida diluida e hidrólisis enzimática.

Proceso concentrado de hidrólisis ácida

El proceso de Arkanol funciona al agregar 70-77% de ácido sulfúrico a la biomasa que se ha secado hasta un contenido de humedad del 10%. El ácido se agrega en la relación de 1,25 ácido a 1 biomasa y la temperatura se controla a 50ºC. Luego se agrega agua para diluir el ácido al 20-30% y la mezcla se calienta nuevamente a 100ºC durante 1 hora. El gel producido a partir de esta mezcla se presiona luego para liberar una mezcla de azúcar ácida y se utiliza una columna cromatográfica para separar la mezcla de ácido y azúcar.

Hidrólisis ácida diluida

El proceso de hidrólisis ácida diluida es uno de los métodos más antiguos, más simples y más eficientes para producir etanol a partir de biomasa. El ácido diluido se utiliza para hidrolizar la biomasa a sacarosa. La primera etapa utiliza 0,7% de ácido sulfúrico a 190ºC para hidrolizar la hemicelulosa presente en la biomasa. La segunda etapa está optimizada para producir la fracción de celulosa más resistente. Esto se logra utilizando ácido sulfúrico al 0,4% a 215 ° C. Los hidrolatos líquidos se neutralizan y se recuperan del proceso.

Hidrólisis enzimática

En lugar de usar ácido para hidrolizar la biomasa en sacarosa, podemos usar enzimas para descomponer la biomasa de una manera similar. Sin embargo, este proceso es muy costoso y aún se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo.

Procesos de molienda húmeda

El maíz se puede procesar en etanol ya sea por el proceso de molienda en seco o por el proceso de molienda en húmedo. En el proceso de molienda húmeda, el grano de maíz está empapado en agua tibia, esto ayuda a descomponer las proteínas y liberar el almidón presente en el maíz y ayuda a ablandar el grano para el proceso de molienda. El maíz luego se muele para producir productos de germen, fibra y almidón. El germen se extrae para producir aceite de maíz y la fracción de almidón se somete a centrifugación y sacarificación para producir la torta húmeda de gluten. El etanol se extrae luego por el proceso de destilación. El proceso de molienda húmeda se usa normalmente en fábricas que producen varios cientos de millones de galones de etanol cada año.

Proceso de molienda en seco

El proceso de molienda en seco consiste en limpiar y descomponer el grano de maíz en partículas finas utilizando un proceso de molino de martillos. Esto crea un polvo con una consistencia tipo harina de curso. El polvo contiene el germen de maíz, almidón y fibra. Para producir una solución de azúcar, la mezcla se hidroliza o se descompone en azúcares de sacarosa utilizando enzimas o un ácido diluido. Luego se enfría la mezcla y se agrega levadura para fermentar la mezcla en etanol. El proceso de molienda en seco se usa normalmente en fábricas que producen menos de 50 millones de galones de etanol cada año.

Proceso de fermentación del azúcar

El proceso de hidrólisis rompe la parte celulósica de la biomasa o el maíz en soluciones de azúcar que luego se pueden fermentar en etanol. La levadura se añade a la solución, que luego se calienta. La levadura contiene una enzima llamada invertasa, que actúa como un catalizador y ayuda a convertir los azúcares de sacarosa en glucosa y fructosa (ambos C6H12O6).

La reacción química se muestra a continuación:

Los azúcares de fructosa y glucosa luego reaccionan con otra enzima llamada cimasa, que también está contenida en la levadura para producir etanol y dióxido de carbono.

La reacción química se muestra a continuación:

El proceso de fermentación tarda aproximadamente tres días en completarse y se lleva a cabo a una temperatura de entre 250 ° C y 300 ° C.

Proceso de destilación fraccional

El etanol, que se produce a partir del proceso de fermentación, todavía contiene una cantidad significativa de agua, que debe eliminarse. Esto se logra mediante el uso del proceso de destilación fraccionada. El proceso de destilación funciona al hervir la mezcla de agua y etanol. Dado que el etanol tiene un punto de ebullición más bajo (78.3C) comparado con el del agua (100C) el etanol se convierte en un estado de vapor antes que el agua y se puede condensar y separar.