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Bioetanol parte 1 - Monografía



 
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Fuentes de energía. Clasificación de energías. Biomasa. Fermentación. Microorganismos. Proceso de producción. Industria azucarera. Empresas españolas



1.Introducción



La energía la hemos usado los seres humanos desde el comienzo de nuestra raza.
Se podría definir de varias maneras:

1) Eficacia, poder, virtud para obrar.
2) Capacidad para realizar un trabajo que se mide en Julios

Si a la palabra energía va acompañada de otro nombre el significado cambia:
Ej. :  Energía cinética:   La energía que posee un cuerpo a razón de su movimiento.

BREVE HISTORIA DE LA ENERGÍA 



Paleolítico: 



Los  humanos en este periodo eran nómadas, es decir, se movían de un territorio a otro para lograr el alimento. Estas poblaciones obtenían el alimento bien cazando o bien recolectando frutos, así, la única fuente de energía que usaban era la de sus propios músculos.

Neolítico: 



En este periodo, los hombres y las mujeres, aprenden que cultivando una semilla de una especie determinada, pueden llegar a obtener el fruto en un determinado tiempo. Gracias a esto, las poblaciones se asientan en diferentes puntos de la tierra. Empiezan a obtener excedente alimentario y esto conlleva a un aumento de la población. Además comienzan a usar la fuerza de los animales para la realización de los trabajos más forzados.

Neolítico-Revolución industrial:


En este periodo, usan la leña como fuente de energía debido a la  abundancia de bosques que había en la época. Quemando la leña se obtenía carbón vegetal, que con cuyas menas se logran metales. También se dan los primeros pasos en el uso de las energías renovables, por el uso de molinos que funcionan por el viento o por el agua, consiguiendo diferentes procesos como la trituración del trigo, para conseguir harina.

Revolución industrial:


James Watt, inventó la máquina de vapor que dio comienzo a la revolución industrial. A través de la combustión del carbón se obtenía que la energía calorífica se transformara en energía mecánica. Se trataba de la primera herramienta que no utilizaba fuerzas o tracción de origen animal, y comenzó a emplearse industrialmente.


Post Revolución industrial:



Se da un auge en el uso de las energías no renovables como son el carbón, el petróleo y el gas natural. Se empieza a usarse maquinaria en la agricultura, esto hace que se transformen miles de hectáreas de terreno virgen, en campos de cultivo. Hay un gran excedente alimentario, aumenta mucho la población y esto hace que el consumo de energía crezca. También aumenta la explotación de los combustibles fósiles y las tecnologías son más eficientes.

Este auge en el uso de los combustibles fósiles se encuentra con un freno en 1973. En este año se hace público un estudio sobre las reservas mundiales de estas energías, en el cual aparece que dichas reservas se acabarán para el año 2000. Esta situación se ve empeorada por un conflicto en Oriente Próximo, el cual, es la  zona de la tierra donde hay mayores reservas. Así se empieza a plantearse el uso de otro tipo de energía cuya explotación sea infinita. Se empieza a investigar y se ven que hay diferentes tipos de fuentes. Pero todo este impulso en investigar nuevas fuentes de energía se ve detenida cuando se descubren nuevas reservas de combustibles fósiles.

Clasificación de las energías



Las diferentes fuentes de energías se clasifican dependiendo de su periodo de formación en:

1) No renovables:

Aquellas que no pueden renovarse a escala humana.

2) Renovables: 

Aquellas que son renovables a escala humana.

Dentro de las energías no renovables tenemos:

-Gas
-Petróleo
-Carbón
-Energía nuclear

Ventajas:


- Los mecanismos de su explotación están muy avanzados.
- En el caso del petróleo, se usa también para la producción de plástico y de medicinas.

Inconvenientes:



- Al tratarse de una combustión se genera CO2 que contribuye al efecto invernadero.
- Si el petróleo o el carbón lleva en su composición azufre o nitrógeno al quemarse, formará nitratos y sulfatos que darán lugar a la formación de la lluvia ácida al reaccionar con el agua de la atmósfera.
- Los yacimientos de estas energías se encuentran en puntos localizados de la tierra, esto hace que dichos combustibles sean transportados hasta otros puntos del planeta. En este proceso se derraman grandes cantidades de combustibles, en el caso del petróleo acaban derramados al mar del 0.1-0.2% de su producción anual, esto supone 3millones de Tm., que provocan grandes desastres ecológicos como en el caso del Prestigie.
- En el caso de la Energía nuclear, no se sabe que hacer con los residuos generados, ya que estos residuos continúan emitiendo radiactividad y su periodo de vida es muy alto.

Dentro de las energías renovables tenemos:

- Solar
- Eólica
- Hidráulica
- La proveniente de los Océanos
- Biomasa

Ventajas:



- Son energías mucho más limpias que las no renovables.
- A largo plazo son energías más rentables.
- Son energías que se pueden aplicar localmente.

Inconvenientes:



- No está muy estudiado la tecnología para su explotación.
- A corto plazo no son energías rentables ya que es cara su instalación.

Biomasa


Es el tipo de Energía que nosotros vamos a tratar y de la cual obtendremos el bioetanol. La Biomasa se puede definir de varias maneras:

1)Materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresado en peso de unidad por unidad de área o de volumen.

2)Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado,utilizable como fuente de energía. Un proceso puede ser la fotosíntesis.

De esta Biomasa nosotros vamos a obtener un biocombustible que será líquido. Este biocombustible, para poder obtener energía hay que quemarlo y en este proceso se emite CO2 a la atmósfera, pero hay que tener en cuenta que la cantidad de este gas que absorbe la especie vegetal a lo largo de su vida por el proceso de fotosíntesis, es superior al que más tarde se emite en la combustión, manteniendo la concentración de CO2 constante.

Una de las formas de evitar la contaminación relacionada con la energía es la de usar fuentes de energía alternativa en vez de las convencionales. Pero otra forma que en nuestra opinión es más importante, es la reducción del consumo de energía.

Técnicas de ahorro de energía



1) Cogeneración:



Se aprovecha el calor residual de un proceso para aplicarlo a otro que lo necesite.

2) Aislamiento de edificios:



Construir  edificios con un buen aislamiento cuesta mucho dinero, pero a  la larga sale más barato ya que se ahorra muchísima energía.  Ej. : En las casas o en los chalets, plantar árboles que den sombra en verano y que corten a los vientos dominantes en invierno, hacen ahorrar entre un 15-40% del consumo de la energía.

3) Ahorro del combustible en el transporte:


En España en el transporte emplea algo menos de la mitad del petróleo usado. El transporte es el principal responsable de la emisión de CO2 a la atmósfera, por ello cualquier innovación, vendrá bien recibida si con ello se disminuye la cantidad de CO2 emitida. Se están fabricando coches que consumen 1L por cada 40km realizados.

4) Reciclaje en Industria:



La mayoría de la energía que se necesita en la industria es para la obtención de las materias primas, por lo tanto si se reciclan dichas materias se logrará ahorrar mucha energía.

2. FUENTES DE BIOMASA



El etanol es un alcohol que puede producirse por fermentación de productos azucarados. Concretamente, el proceso de producción del bioetanol es muy similar a la fermentación de bebidas alcohólicas como la cerveza o el vino entre otras.

El bioetanol se produce a partir de materiales con biomasa celulósica, abarcando este término toda la materia orgánica de origen vegetal, incluyendo también los ateriales procedentes de su transformación natural o artificial. La biomasa puede provenir de varios tipos de cultivos:

Cultivos y residuos agrícolas


En esta apartado se pueden incluir la caña de azúcar, la remolacha, trigo, maíz, cebada, cardo, sorgo dulce, pataca, …También se incluyen residuos agrícolas como restos de aceitunas, cascarilla de arroz, cáscara de frutos secos, …

Residuos forestales



Pueden ser procedentes de poda, limpiezas, cortas, madera subutilizada como el serrín, árboles comerciales imperfectos, …Y también árboles no comerciales que necesiten ser raleados de bosques superpoblados, con peligro de incendio o en mal estado de salud.

Cultivos energéticos



Son aquellos desarrollados específicamente para combustible. Comprenden árboles de rápido crecimiento, arbustos y pastos. Suelen utilizarse por ejemplo álamos híbridos, sauces, chopos, eucaliptos,…

Las ventajas que tienen este tipo de cultivos son que pueden producirse en terrenos agrícolas no necesarios para alimentos y pastos. Además también se pueden plantar a lo largo de las riberas de los ríos, alrededor de lagos, en espacios entre otros establecimientos agrícolas, bosques naturales o también en áreas pantanosas.

Otras fuentes de biomasa


Por ejemplo se pueden transformar química o biológicamente determinadas especies vegetales o aceites domésticos usados para convertirlos en biocombustibles (etanol o metanol) y emplearlos como sustitutos o complementos del gasóleo o gasolina.

3. TIPO DE PROCESO: FERMENTACIÓN



El proceso químico de producción de bioetanol se basa simplemente en una fermentación, que es un cambio químico en las sustancias de naturaleza orgánica llevado a cabo por la acción de enzimas. Lo que ocurre en una fermentación es que las sustancias orgánicas complejas se transforman en otras simples.

El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica, en la que los azúcares simples como por ejemplo la glucosa se convierte en alcohol etílico y dióxido de carbono.

Ejemplos de fermentaciones alcohólicas pueden ser la elaboración de bebidas alcohólicas como cerveza, vino, whisky, y también se están produciendo actualmente a escala comercial mediante distintas fermentaciones,  productos como la glicerina, propanona, butanol o ácido butírico.

La fermentación alcohólica es llevada a cabo mayoritariamente por levaduras, ya que una de las características más conocida de las levaduras es su capacidad para fermentar los azúcares para la producción de etanol. Las levaduras se han utilizado a lo largo de la historia para fermentar azúcares del arroz, del trigo, cebada y del maíz para producir bebidas alcohólicas y también en la industria panadera.

La mayoría de las levaduras que se cultivan son del género Saccharomyces. Concretamente la especie Saccharomyces cerevisiae es una de las más utilizadas ya que participa en muchas de las fermentaciónes que hemos mencionado.
La diferencia es que cuando se termina de utilizar un lote de levadura destinado a la fabricación de pan, a usos médicos o a la fabricación de alimentos, el medio de cultivo en el que han crecido las levaduras se desecha.
Sin embargo, en la elaboración de bebidas alcohólicas y alcoholes industriales, el medio de cultivo es el producto final y en este caso son las propias levaduras las que se desechan o se pueden utilizar como pienso o alimento de animales.

4. MICROORGANISMOS DE INTERES


Como ya hemos dicho, Saccharomyces cerevisiae es la más utilizada para la fermentación de azúcares a etanol ya que fermenta eficientemente los azúcares de seis carbonos a etanol. Pero la planta además de hexosas como la glucosa, también tiene pentosas como la xilosa. Estos azúcares de cinco carbonos esta levadura no los puede utilizar como fuente de carbono.

Esto se traduce en una disminución del rendimiento del proceso ya que una parte de los azúcares presentes en la biomasa lignocelulósica no puede transformarse en etanol. Además, si quisiéramos  las pentosas había que utilizar microorganismos separados para fermentar las pentosas y las hexosas y esto requeriría dos tanques de fermentación distintos, aumentando el coste del proceso.
Para evitar todo esto e intentando que el proceso de producción de bioetanol sea más rentable, se han hecho muchos estudios para mejorar el rendimiento de Saccharomyces cerevisiae.

Algunos se han basado en modificar el metabolismo de la levadura introduciéndole genes de otra levadura distinta que utiliza de forma natural las pentosas como fuente de carbono para que convierta la xilosa a etanol.

Como el interés mundial en la utilización del bioetanol como fuente de energía renovable aumenta cada vez más, se han estimulado estudios de coste y eficacia de los procesos industriales para la producción de bioetanol. Se han hecho investigaciones para obtener organismos fermentantes eficientes, substratos baratos de fermentación y condiciones ambientales óptimas para que la fermentación ocurra.

Se ha descubierto que hay una bacteria llamada Zymomonas mobilis  que tiene ventajas sobre Saccharomyces cerevisiae en cuanto a productividad y tolerancia a etanol que serán explicadas posteriormente cuando se explique el proceso.
Sin embargo, la bacteria Zymomonas mobilis también tiene el problema de que no fermenta los azúcares de cinco azúcares.

Los estudios que se han hecho son parecidos a los de Saccharomyces cerevisiae. Se ha probado en modificar el metabolismo de Zymomonas mobilis introduciéndole los genes necesarios para que pueda utilizar las pentosas.

A parte de este tipo de estudios, se esta haciendo un estudio que pretende demostrar la viabilidad técnica de la producción de bioetanol a partir del residuo generado en la extracción del aceite de oliva.

Resumiendo, éste es solo un ejemplo más de que cada vez se están realizando más estudios e investigaciones para mejorar el proceso de producción de bioetanol, para mejorar la eficiencia de los microorganismos utilizados en el proceso o para que se puedan utilizar desechos o residuos que actualmente no tienen mucho uso.

5.PROCESO DE PRODUCCION DEL ETANOL


En la era posterior a la segunda guerra mundial, los productos derivados del petróleo tenían bajos precios y no se prestó atención a los estudios sobre la producción microbiana de materiales orgánicos a partir de productos vegetales. El cambio y la preocupación vienen a partir de 1970 debido a la escasez del petróleo y el gas natural.

Para que un proceso tenga éxito, debe ser rentable y esto es lo que determinará su viabilidad. Para ello, se deben conseguir una serie de requisitos:

- Bajo coste del transporte de las materias primas
- Bajo coste de la conversión de polímeros a mono y disacáridos utilizables
- Uso de cultivos mixtos para catabolizar diferentes substratos y convertirlos en metabolitos deseados
- Utilización de procesos anaerobios debido a la elevada demanda de energía de la aireación
- Uso de cepas termófilas para ahorrar costes en enfriamiento, conseguir velocidades de conversión más altas y reducir la contaminación
- El proceso debe ser adaptable al cultivo continuo
- Bajo coste de la recuperación y concentración

La producción de etanol siempre ha tenido como objetivo el consumo humano y la obtención de bebidas alcohólicas concentradas mediante destilación. Su uso como materia prima química se inicia a principios de la microbiología industrial, pero su obtención se lleva a cabo mediante la hidratación catalítica del etileno. No es hasta hace pocos años cuando la atención ha vuelto de nuevo a la producción por fermentación del etanol para fines químicos y como combustible.

Entre los países en los que se están llevando a cabo estudios intensivos sobre la producción de etanol a partir de carbohidratos como la sacarosa y el almidón, se debe destacar Brasil dado que tiene el clima y terreno adecuados para la producción a gran escala de azúcar de caña. Sin embargo, la eficiencia del rendimiento de energía (relación de demanda de energía y energía producida) varía según el material de partida. Esta relación es la siguiente:

- Remolacha: 86%
- Tapioca: 50%
- Patatas: 59%
- Azúcar de caña: 66%
- Maíz: 25%

BIOSINTESIS DEL ETANOL


Para la producción de etanol se han utilizado tanto bacterias como levaduras. Entre estas últimas tenemos la Kluyveromyces fragilis, pero la más estudiada y utilizada sin duda es Saccharomyces cerevisiae. En condiciones aeróbicas y en altas concentraciones de glucosa Saccharomyces cerevisiae crece bien pero produce poco, en condiciones anaerobias por el contrario el crecimiento es lento.

El esquema general del proceso sería el siguiente:

GLUCOSA
Glucólisis
PIRUVATO
Piruvato descarboxilasa. Mg2+. Pirofosfato de tiamina
ACETALDEHIDO + CO2
Alcohol deshidrogenasa.NADH2
ETANOL

El piruvato que se produce durante el catabolismo es transformado a acetaldehído y carbono dióxido por la piruvato descarboxilasa. Finalmente el  acetaldehído es reducido por la alcohol deshidrogenasa para dar etanol.

En el grupo de las bacterias, la Zymomonas mobilis se ha convertido en objeto creciente de estudio en estos años debido a su conjunto de ventajas potenciales:

- Tolerancia osmótica a concentraciones superiores de azúcar con un máximo de 400g/l. Mientras que en el caso de las levaduras, el límite de azúcar es de 1g/l.

- Tolerancia relativamente mayor al etanol con un máximo de 130g/l. El etanol es inhibitorio a altas concentraciones y la tolerancia al alcohol de levaduras y bacterias es crítica para obtener rendimientos altos. A medida que aumenta la concentración de etanol, la velocidad de crecimiento disminuye hasta que se inhibe completamente la propia biosíntesis del etanol. Sin embargo, la levadura es más sensible al etanol producido endógenamente que al que se añade del exterior al sistema de fermentación.

- Mayor velocidad de crecimiento. Los datos a escala laboratorio son los siguientes:
. 0.27 micras para Zymomonas mobilis
. 0.13 micras para la levadura

- El metabolismo anaerobio de los carbohidratos se lleva acabo a través de la vía de Entner Doudoroff en la que se produce solo un mol de ATP por mol de glucosa utilizada. Esto se traduce en una reducción de la cantidad de glucosa que se convierte en biomasa en lugar de etanol.

- Otras comparaciones:



El pH óptimo de la fermentación bacteriana de etanol es más amplio: pH= 5-7 y la temperatura óptima más alta:30ºC ( incluso a 37ºC el rendimiento e del 97% teórico).

Parámetros cinéticos:



· Velocidad de formación de etanol (g/g.h) es 2.9 veces superior
· Velocidad de crecimiento (micras) es 2.4 veces más alta
· Velocidad de toma de glucosa (micras) es 2.6 veces superior

- Productividad máxima alcanzada con glucosa como fuente de carbono:


· 82 g/l.h en el caso de la levadura
· 120 g/l.h en el caso de la Zymomonas mobilis


‘ SISTEMAS DE FERMENTACIÖN UTILIZADOS



- Sistema discontinuo:



Se inician aeróbicamente para obtener la máxima biomasa, ya que si las condiciones anaerobias comienzan demasiado pronto la densidad de población no será suficientemente alta para obtener una buena velocidad de conversión.

- Sistema continuo:



El crecimiento óptimo de levaduras y producción de etanol se llevan a cabo con limitación de azúcar de 1 g/l y en un ambiente microaeróbico de 0.2-5 mg O2/g materia seca y h.





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