Evaluación del proceso de producción de etanol carburante a partir ...
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Evaluación del proceso de producción de etanol carburante a partir de Caña azucarera, remolacha azucarera y maíz. Alan Didier Pérez Ávila 304527 ____________________________________________________________________________ Resumen En el presente trabajo se desea obtener la materia prima más eficiente entre el maíz, la caña de azúcar y la remolacha azucarera para producción de etanol anhidro. A partir de simulación en Aspen Plus y descripciones del proceso de pretatramiento de dichas materias primas se realiza una simulación para un flujo del 1% de la producción nacional. El esquema básico de las tres simulaciones consta de un pretratamiento (diferente para cada materia prima) y una reacción separación que es la misma para las tres simulaciones (Fermentación destilación con rectificación, y pervaporación). Obtenidas las simulaciones en Aspen Plus se procede a realizar un análisis económico con la ayuda del software Aspen Icarus y obtenidos estos resultados se pasó al penúltimo paso que consta de un análisis de impacto Ambiental, para el cual se usó un software obtenido de la EPA llamado WAR GUI. En última estancia se realiza un análisis del impacto social y unas alternativas de los procesos en cuanto al tratamiento de efluentes. ____________________________________________________________________________ Introducción El creciente interés por el desarrollo de combustibles renovables y amigables con el medio ambiente encuentra su origen en dos preocupaciones: el calentamiento global y el potencial desabastecimiento de petróleo. Varios países del mundo industrializado han visto en los biocombustibles una fuente de energía alternativa, que los avances de la biotecnología pueden desarrollar de forma de transformarlos en energías más limpias y confiables que los combustibles tradicionales que utilizan sus sistemas de transportes. Biocombustible se define, como combustible sólido, líquido o gaseoso obtenido a partir de biomasa, sea de origen vegetal o animal. El término biomasa en la actualidad, se ha aceptado para denominar al grupo de productos energéticos y materias primas de tipo renovable que se originan a partir de la materia orgánica formada por vía biológica Los biocombustibles poseen además un gran potencial para dinamizar la inversión, crear nuevos empleos, y generar un mayor valor agregado en la producción agropecuaria (factor importante en nuestro país). En la actualidad, se han centrado todos los esfuerzos hacia la producción de bioetanol a partir de la Caña de Azúcar, dadas las condiciones de infraestructura del país, pero teniendo en cuenta los altos volúmenes necesarios y la diversidad de pisos térmicos existentes en el territorio Colombiano, se hizo necesario emprender investigaciones sobre obtención de bioetanol carburante a partir de otros cultivos energéticos, entre ellos los que citamos en el presente trabajo como el maíz y la remolacha. El biocombustible más importante es el alcohol carburante, el cual puede ser utilizado como oxigenante de la gasolina, elevando su contenido de O 2 , lo que permite una mayor combustión de la misma, disminuyendo las emisiones contaminantes de hidrocarburos no oxidados completamente [1].
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Evaluación del proceso de producción de etanol carburante a partir de Caña azucarera,
remolacha azucarera y maíz.
Alan Didier Pérez Ávila 304527
____________________________________________________________________________
Resumen
En el presente trabajo se desea obtener la materia prima más eficiente entre el maíz, la caña de
azúcar y la remolacha azucarera para producción de etanol anhidro. A partir de simulación en
Aspen Plus y descripciones del proceso de pretatramiento de dichas materias primas se realiza una
simulación para un flujo del 1% de la producción nacional. El esquema básico de las tres
simulaciones consta de un pretratamiento (diferente para cada materia prima) y una reacción
separación que es la misma para las tres simulaciones (Fermentación destilación con rectificación, y
pervaporación). Obtenidas las simulaciones en Aspen Plus se procede a realizar un análisis
económico con la ayuda del software Aspen Icarus y obtenidos estos resultados se pasó al
penúltimo paso que consta de un análisis de impacto Ambiental, para el cual se usó un software
obtenido de la EPA llamado WAR GUI. En última estancia se realiza un análisis del impacto social
y unas alternativas de los procesos en cuanto al tratamiento de efluentes.
____________________________________________________________________________
Introducción
El creciente interés por el desarrollo de combustibles renovables y amigables con el medio ambiente
encuentra su origen en dos preocupaciones: el calentamiento global y el potencial
desabastecimiento de petróleo. Varios países del mundo industrializado han visto en los
biocombustibles una fuente de energía alternativa, que los avances de la biotecnología pueden
desarrollar de forma de transformarlos en energías más limpias y confiables que los combustibles
tradicionales que utilizan sus sistemas de transportes.
Biocombustible se define, como combustible sólido, líquido o gaseoso obtenido a partir de biomasa,
sea de origen vegetal o animal. El término biomasa en la actualidad, se ha aceptado para denominar
al grupo de productos energéticos y materias primas de tipo renovable que se originan a partir de la
materia orgánica formada por vía biológica
Los biocombustibles poseen además un gran potencial para dinamizar la inversión, crear nuevos
empleos, y generar un mayor valor agregado en la producción agropecuaria (factor importante en
nuestro país).
En la actualidad, se han centrado todos los esfuerzos hacia la producción de bioetanol a partir de la
Caña de Azúcar, dadas las condiciones de infraestructura del país, pero teniendo en cuenta los altos
volúmenes necesarios y la diversidad de pisos térmicos existentes en el territorio Colombiano, se
hizo necesario emprender investigaciones sobre obtención de bioetanol carburante a partir de otros
cultivos energéticos, entre ellos los que citamos en el presente trabajo como el maíz y la remolacha.
El biocombustible más importante es el alcohol carburante, el cual puede ser utilizado como
oxigenante de la gasolina, elevando su contenido de O2, lo que permite una mayor combustión de la
misma, disminuyendo las emisiones contaminantes de hidrocarburos no oxidados completamente
[1].
Marco Teórico
Caña de azúcar: Perteneciente a la familia de las gramíneas, con el taño leñoso, de unos dos
metros de altura, hojas largas, lampiñas y flores purpúreas en panoja piramidal. El tallo está lleno de
un tejido esponjoso y dulce del que se extrae el azúcar.
La caña de azúcar se cultiva prácticamente en todas las regiones tropicales y subtropicales de la
tierra. En Colombia se cultiva en forma productiva desde el nivel del mar hasta alturas superiores a
los 2.000 metros en las más variadas condiciones de temperatura, luminosidad, precipitación y
calidad de suelos.
Dentro de las condiciones para un óptimo cultivo tenemos [1]:
Altura: Entre 500 y 1.500 msnm
Temperatura: 25 y 26ºC, aunque entre 20 a 30 ºC permite buenos rendimientos del cultivo.
Si los cambios de temperatura entre el día y la noche son superiores a 8 ºC se favorece la
formación de la sacarosa.
Luminosidad adecuada: se encuentra entre 5 a 8 horas diarias promedio de brillo solar.
Precipitación anual: 1.500 a 1.750 mm.
Vientos: Cálidos y secos aumentan la transpiración de la planta.
Suelos: Franco arcillosos, con buen drenaje y pH entre 5,5 y 7,5.
Humedad relativa: 75 – 80 %.
Compuesto % en Peso
Celulosa 6,48
Fructosa 0,6
Glucosa 0,9
Hemicelulosa 5,4
Sacarosa 13,5
Lignina 1,42
Proteína 0,4
Agua 69,7
Grasa 0,3
Azucares no fermentables 0,35
Ácidos grasos 0,1
Otros compuestos 0,35
Cenizas 0,5
Tabla 1. Composición de la caña de azúcar
El esquema del proceso consta de un acondicionamiento, una fermentación y una separación-
deshidratación. El acondicionamiento consiste en un lavado de la caña, seguido de la molienda, en
donde se extra el jugo azucarado y es retirado el bagazo con un contenido sólido. Dicho jugo
azucarado es sometido a una clarificación en donde es extraída la cachaza, y el jugo es
posteriormente concentrado para pasar a una hidrólisis ácida previa a la fermentación. La
fermentación se realiza a 30ºC con una rendimiento entre el 0.21 y 0.52 %. Luego purificar el
producto hasta llevarlo a etanol anhidro mediante un proceso de desgasificación, destilación con
rectificación y pervaporación.
Fuente: Cardona C. A. Simulación de los procesos de obtención de etanol a partir de caña de azúcar y maíz
Figura 1. Diagrama del acondicionamiento de la caña
Remolacha: La remolacha (Beta vulgaris) es una planta de la familia de las Quenopodiáceas [2]
La remolacha es una planta bianual. Durante el primer año forma su raíz y constituye las reservas.
En el curso del segundo año aparecen sus flores agrupadas en espigas en la extremidad de los tallos.
Lo que corrientemente se conoce como semilla es en realidad un glomérulo, es decir, la reunión de
varios frutos, en general en número de 2 a 4, recubiertos de una envoltura leñosa poco permeable al
agua.
Esta es muy exigente para las condiciones de su germinación en lo más importante, temperatura,
aireación y humedad. De acuerdo a esto el terreno requiere unas cualidades muy específicas para la
producción de esta. Se estima que para producir 40 toneladas de raíz el cultivo puede evaporar
7.000 metros cúbicos de agua por ha, lo que equivale al agua caída en una lluvia de 700 l/m2.
La remolacha azucarera se siembra en la primavera y se recoge en otoño. La raíz de la remolacha se
hunde en el suelo a una gran profundidad. Prefiere los suelos que permanecen frescos durante el
verano. Por este motivo, el cultivo de la remolacha azucarera se practica en regiones de veranos
húmedos y suelos blandos.
En el cultivo de la remolacha es muy importante la intensidad de iluminación, que permite el buen
ejercicio de la función clorofílica y condiciona la importancia de la elaboración del azúcar.
Figura 2. Esquema de producción de la remolacha azucarera.
bandas transportadoras Fermentador
generador de vapor Centrifuga
tanque de lavado Torres de destilación
Basculas Bombas
Molinos de cuchilla evaporador Torres de absorción
Filtro Tamices moleculares
Tabla 2. Equipos principales.
Descripción de los equipos usados dentro del proceso, aquí se muestra unas características
definidas de acuerdo a lo estudiado en la literatura, como diámetros, flujos de agua, etc.
BANDAS TRANSPORTADORAS
Es un aparato para el transporte de objetos
formado por dos poleas que mueven una cinta
transportadora continua [2].
Las poleas son
movidas por motores, haciendo girar la cinta
transportadora y así lograr transportar el
material situado en la misma. Mediante estas
bandas se transporta la remolacha hacia
diferentes puntos del proceso, y son utilizadas
también para llevar los residuos hacia su
respectiva bodega.
Estas pueden ser del tipo BRUNSSEN
GENERADOR DE VAPOR
Se utiliza para calentar el agua que lava la
remolacha y también el agua utilizada para la
extracción y la destilación
Entre las clases de generadores de vapor
tenemos aquel que se presenta en forma
horizontal, los generadores de vapor vertical[3].
TANQUE DE LAVADO
Inyectan una corriente de agua, la agitan y se
vacían automáticamente por medio de un sifón.
Los tanques de lavado son útiles para la
limpieza de piezas y partes no ensambladas
donde el volumen de trabajo no justifica el uso
de un tanque más grande. Construido con
revestimiento de acero calibre-24, están
terminados con una capa duradera de pintura
para su uso durante mucho tiempo. Son
utilizados para lavar la materia prima y retirarle
toda suciedad, estos tanques tiene un diámetro
de 2.5m.
BASCULAS
Son instrumentos que tienen como objetivo
pesar y medir cantidades de masa. Existen
diferentes tipos de básculas, entre ellas se
distinguen las de escala y precisión, las cuales
tiene asignados usos muy específicos. Las
básculas deben ser calibradas en donde se vayan
a utilizar. Estas son usadas para el peso de los
camiones que transportan la remolacha esta
tiene una capacidad de 80 toneladas y mide 18 x
3.30 m, Cuando el tubérculo está limpio es
transportado a hacia la segunda bascula para ser
pesado, aquí se pesa una cantidad determinada
de remolacha para ser llevada al molino, la
báscula tiene una capacidad máxima de 1 ton,
hecha de una lámina de acero por debajo de la
banda transportadora, en este punto
manualmente se retira el sobrepeso.
MOLINOS DE CUCHILLA
Se pude usar un molino de corte SM 100 de
RESTCH aunque existen varios tipos
dependiendo de lo necesario en el proceso aquí
se presenta un ejemplo para la producción
requerida [4].
Consiste en que con el efecto de las
dos cuchillas se reduce el tamaño de la
remolacha a trozos entre 2.5 y 5 cm, el molino
esta hecho en acero al carbón con un área de 9
m3 en
volumen.
EVAPORADOR
El cambio de líquido a gas lo realiza el
evaporador y para ello ha de absorber calor.
Este evaporador es utilizado para aumentar la
concentración de los azucares del jugo de
remolacha, en este se evapora el exceso de agua
presente en el jugo de la remolacha.
Los tipos que se pueden usar son: Evaporador
de película descendiente, Evaporador de
circulación forzada, Evaporador de película
ascendiente.
FILTRO
Los filtros son redes que permiten el paso o
detienen el paso de un determinado grupo de
material. Es un separador de líquidos y sólidos a
través de filtración por presión. Consiste en una
serie de bastidores de acero que sostienen una
tela o malla. Las placas filtrantes desmontables
están hechas de polipropileno, y las mallas
pueden ser de tipo sellada, no sellada o
membranas de alta resistencia. Los filtros
prensa son un método simple y confiable para
lograr una alta compactación. En este se retiran
las impurezas que puedan quedar después de
que la remolacha ha pasado por el molino. Este
tiene un área específica de 38 m2 opera a
presión atmosférica.
FERMENTADOR
Ocurren las reacciones químicas debido a la
presencia de microorganismos. Luego del
evaporador el jugo es dirigido al fermentador,
en el, los azucares se transforman por medio de
microorganismos (levadura), en alcohol.
volumen entre 150 y 6.000 litros para el equipo
diseñado por INOXPRA
CENTRIFUGA
Se utiliza para la separación de sólidos
suspendidos o mezclas. En este proceso, la
centrifuga se utiliza para remover todas las
partículas sólidas presentes que puedan quedar
después del fermentado. La centrifuga es hecha
en acero inoxidable.
TORRES DE DESTILACION
Este es un sistema que consiste en calentar un
líquido hasta que sus componentes más volátiles
pasan a la fase de vapor y luego, enfría el vapor
para recuperar dichos componentes en forma
líquida por medio de la condensación. En el
proceso es necesario involucrar 2 torres, en la
primera se remueven los componentes más
pesados del mosto y en la segunda se pueden
remover grandes cantidades de agua y resto de
componentes que permiten elevar el contenido
de etanol.
BOMBAS
Bomba especial para líquidos con sólidos
suspendidos puede ser una bomba sumergible la
cual tiene en una carcasa de acero inoxidable,
con una válvula de retención incorporada.
Anillos de desgaste acero inoxidable en zona de
fricción.
Impulsores y difusores de elevado rendimiento
hidráulico.
Por medio de estas bombas los residuos del
lavado de la materia prima son llevados a un
tratamiento de agua residual.
TORRES DE ADSORCION
Utilizando un lecho empacado con Molecular
Sieve Media Type 3, que es el adsorbente más
común para ser usado en solventes como la
acetona, el metanol y el etanol. En estas torres
entra el destilado y el producto terminado para
retirarle humedad, esto se hace por medio de
tamices moleculares y por medio de este
proceso de separación se podrá obtener el
combustible.
TAMICES MOLECULARES
Son sustancias microporosas que pertenecen a
las zeolitas y facilitan la adsorción, en este
proceso retienen la humedad del etanol para
obtener un producto más puro. Los más
utilizados son el tipo 4A y el tipo 13X.
Tabla 3. Descripción de tecnologías en el proceso.
DESARROLLO DEL PROCESO
Las remolachas son obtenidas de cultivos cercanos a la planta de producción, en estos
cultivos las personas encargadas de una recolección manual se encargan de arrancar,
deshojar y descoronar las remolachas además de su embarque en camiones que transportan
la materia prima hasta la planta.
Una vez las remolachas llegan a la planta son pesadas y almacenadas en una bodega para
luego comenzar su transformación. El almacenado del tubérculo no puede exceder más de
un día debido a que pierden agua y disminuye su concentración de azucares, así solo se
almacena la cantidad adecuada y requerida para el proceso.
Del almacén de materia prima, las remolachas son cargadas a una banda trasportadora que
las lleva hasta el tanque de lavado, aquí ingresan y se ponen en contacto con una corriente
de agua tibia (30 oC) que remueve cualquier suciedad presente tal como hojas, tierra y otros.
De este tanque de lavado salen 2 corrientes. La primera es la corriente de agua de lavado
que contiene todo lo retirado de la materia prima, esta corriente es dirigida a través de
tuberías y bombas hasta una planta de tratamiento de agua residual. La otra corriente, de
interés en el proceso, son los tubérculos ya lavados, estos se retiran del tanque y por otro
sistema de bandas transportadoras son llevados a hasta una báscula para su pesado, una vez
obtenida la cantidad requerida para el proceso, siguen su camino por las bandas hasta llegar
a un molino de cuchillas que reduce su tamaño a trozos entre 2.5 y 5 cm. Los trozos por
gravedad caen a un tanque, en este se realizara el proceso de extracción por difusión, la
remolacha entra en contacto con agua a una temperatura entre 70 y 75 o C donde se extrae
entre 97.5 % y 98 % de los azucares presentes.
El azúcar está dentro de la remolacha y tiene que ser extraída. Para extraer el azúcar, la
remolacha primero se corta para arriba en rebanadas alargadas. El azúcar entonces es
extraída de la remolacha difundiéndola hacia fuera con agua caliente. Esto se hace en un
recipiente grande diseñado especialmente para este propósito. Las rebanadas de la
remolacha se alimentan adentro continuamente en un extremo y el agua caliente en el otro
extremo.
Una solución del azúcar emerge a partir de un extremo, y las rebanadas agotadas de la
remolacha emergen del otro. Las rebanadas agotadas de la remolacha, o la pulpa, se
mezclan con la melaza es secada y vendida. La solución ahora dejada para continuar para el
resto del proceso se refiere como el jugo crudo. Esto contiene el azúcar del cerca de 14% y
es negro en color.
Los residuos sólidos generados en el difusor son extraídos del tanque y por medio de un
sistema de transporte por bandas es llevada a un depósito de residuos, de allí es cargada de
nuevo a los camiones y es transportada a los pastizales para servir de alimento al ganado.
La corriente de interés, el extracto obtenido, es separado de los sólidos por medio de un
primer filtro en el tanque y luego es trasportado por una tubería e impulsado por una
bomba a un nuevo tanque para su purificación. La purificación consiste en remover y
neutralizar aquellos compuestos que no son de interés en el proceso y concentrar los
azucares en el jugo. Este extracto obtenido es trasportado por gravedad a un filtro giratorio
donde se remueve cualquier solido presente en el líquido, estos sólidos son llevados hasta la
bodega de residuos.
Una vez del líquido se remueven los sólidos presentes, se realiza una hidrolisis acida que
permite invertir los azucares del jugo y prepáralos para la fermentación, esta hidrólisis se
realiza utilizando H3PO4 diluido. El liquido pasa aun evaporador para aumentar su
concentración de azucares, es decir elevar de 7 o brix a 14
o brix los azucares del extracto,
removiendo el exceso de agua ganado en todo el proceso. El jugo es bombeado por una
tubería hasta el fermentador, allí se le adiciona el cultivo microbiano para la fermentación.
Una vez terminado el proceso de fermentación, el mosto obtenido pasa a una centrifuga,
donde se separan los residuos sólidos generado en la fermentación y purificar el mosto.
La destilación se lleva a cabo en dos columnas, en la primera se remueven los componentes
más pesados y el etanol producido tiene una porcentaje en volumen de aproximadamente
70%. En la segunda columna se remueve agua y otros componentes que permiten elevar el
contenido de etanol a un 95-96 %.
Como el producto terminado tiene que ser libre de agua, para ser utilizado como
combustible, es necesario un nuevo proceso de separación. Esta vez el fluido es llevado a
un sistema de adsorción por medio que tamices moleculares que retienen la humedad del
etanol y finalmente obtenemos un producto puro con más del 99% en volumen de etanol.
Maíz: El maíz es (Zea mays su nombre científico, en latín) es una gramínea anual originaria de
América introducida en Europa en el siglo XVI. Es la materia prima más importante en el mundo
para la producción de almidón y de etanol
Vivimos en un territorio lleno de oportunidades, grandes potenciales por explotar, muchas ideas
innovadoras, aunque escasos recursos para desarrollarlos, tanto tecnológicos como monetarios, es
necesario la creación de nuevos sistemas y más investigación de acuerdo a la versatilidad de
nuestro país Colombia.
De acuerdo a la gran diversidad, tipos, clases de materias primas que posee el país, el maíz es una
de gran importancia como desarrollo de investigación y uso para el consumo a nivel nacional tanto
en la parte animal como humana.
GERMEN: 12%
ENDOSPERMA: 82%
PERICARPIO: 5%
Estados unidos es el productor número uno de este grano seguido de china y Brasil, las cuales han
invertido gran parte en la investigación tanto sistemática y en la producción del maíz, empleado
principalmente como edulcorante o como combustible. En nuestro país existen 2 clases principales
como lo es el maíz blanco y amarillo; aunque el maíz puede ser clasificado de diversas maneras
dependiendo de las características que se quiera tomar en cuenta como color, textura composición y
apariencia. Este también puede ser clasificado según
la constitución del endospermo y del grano.
el color del grano.
el ambiente en que es cultivado.
la madurez.
Su uso
Los tipos de maíz más importantes son duros, dentados, reventones, dulces, harinosos, cerosos y
tunicados. Una buena descripción de los tipos de granos maíz con ilustraciones se encuentra en
Maize publicado por Ciba Geigy en 1979. Dowswell, Paliwal y Cantrell (1996) han descripto varios
tipos de granos basados en la clasificación citada. Publicación reciente, Specialty corns, cubre
varios de esos tipos de maíz, su mejoramiento y usos (Hallauer ed., 1994) [3]. En colombia existen
las divisiones como lo es el maíz blanco y amarillo este último es el más cultivado principalmente
en la producción de alimentos concentrados para animales (aves), la cual contribuye a un mejor
color a la carne de las aves y en el color de los huevos que se comercializan, el resto de producción
para alimentos balanceados, para la molienda húmeda de almidón, para cervecería y otros.
Las tecnologías y tácticas para la producción y el mercado del maíz son variadas, en estados
unidos se enfatiza mucho en la sistematización e investigación para la producción de los
edulcorantes y etanol, se dan grandes incentivos a los cultivadores, la china busca diferentes
cereales para su productos, en nuestro país se produce en forma tradicional y tecnificada aunque en
un valor mucho más bajo y las diferencias radican en la diferencia de los rendimientos y en el área
cultivada de la materia, en el nivel agroquímico empleado durante la siembra. En Colombia los
rendimientos del cultivo tecnificado alcanzan las 6 ton/Ha, el tamaño promedio de cultivo de maíz
es de 1,7 Ha para un total de cerca de 233.430 unidades productivas, los datos encontrados indican
que el cultivo se encuentra muy disperso por todas las regiones del país [4].
Figura 3. Esquema de producción de etanol anhidro a partir del maíz.
Optimización de la batería de reactores
Los parámetros característicos de operación de un reactor continuo son, el tiempo medio de
residencia y la velocidad de dilución, τ y D.
Donde V es el volumen del reactor y F el flujo volumétrico. La velocidad de producción de biomasa
en un CSTR es igual a la velocidad a la que las células abandonan el reactor, Px. La productividad
volumétrica es por tanto igual a Px dividido V.
Hidrólisis Molienda Licuefacción Hidrólisis
Fermentación Destilación Deshidratación
Dx también se conoce también como la velocidad volumétrica de producción de biomasa, y también
se tiene la velocidad volumétrica de formación de producto, Qp.
De los balances en el CSTR se obtiene [5] que la velocidad de crecimiento celular es igual a la
velocidad de dilución, µ=D. De modo que la productividad viene dada así:
Donde x es la concentración de biomasa y se obtiene a partir del balance.
(
)
Y tomando los parámetros,
⁄
⁄
La productividad queda reescrita de la siguiente manera:
( )
Para la batería de CSTR’s se optimizo en cuanto a productividad. Se buscó trabajar a la velocidad
de dilución óptima en cada reactor, para lo cual se hace uso de la ecuación anterior, para determinar
el punto máximo de productividad de biomasa, con el cual se obtiene el punto óptimo de la
velocidad de dilución.
Para determinar este punto óptimo solo se aplica el criterio del máximo de una función. La función
a maximizar es la productividad y se desea maximizar respecto a la velocidad de dilución, por ende
solo se debe obtener la derivada de la función respecto a la velocidad de dilución e igualar a cero.
Pero es más sencillo de obtener este valor cuando se programa con una variable adimensional que
va de 0 a 1, como lo es Ss. Por eso se rescribió la ecuación de productividad Qx en función de Ss.
Por tanto el valor a obtener es cuando dQx/dSs = 0. Sin embargo este valor de velocidad de dilución
optima se puede obtener a partir de la siguiente ecuación extraída del Doran [5].
( √
)
La siguiente curva fue la obtenida para una batería de 2 CSTR en serie trabajando en el punto
óptimo. (Para la simulación del Birreactor en la fermentación).
Figura 4. Optimización batería de quimiostatos. Puntos óptimos de operación.
Se trabajó en serie para obtener una conversión por paso mayor y así mismo una conversión global
alta. Con este modelo se llegó a una conversión global del 0.99 con solo dos reactores en serie
trabajando en su punto óptimo. Se descartó una batería en paralelo debido a que es lo mismo a tener
un reactor de un volumen muy grande a varios reactores en paralelo, la conversión será siempre la
misma usando esta configuración.
Optimización de la zona de separación purificación
Se utilizó para la destilación en Aspen plus la columna de destilación rigurosa RadFrac, para
acercarse más a la realidad y no trabajar tan idealmente, Se encontró en una simulación anterior la
cual se trabajó con separadores ideales que la efectividad de la separación del etanol del agua
cambio bastante con el RAdFrac, aproximándose más a la realidad (ya no se separa tan fácilmente).
Se modelo un pervaporador con una membrana selectiva al etanol para poder determinar cuanta es
la separación de fases en este equipo para obtención de etanol anhidro, y poderse así implementar
en la simulación en Aspen plus.
Se utilizó el mismo RadFrac para la absorción, la cual se utilizó para eliminar el gas CO2. En la
hidrólisis, se trabajó con intercambiadores de calor para simular un reactor de chaqueta, donde se
mantuvo la temperatura de al hidrólisis a 90ºC.
Las gráficas que describen el modelo del pervaporador se muestran a continuación.
En síntesis, lo que se ha formado un sistema hibrido de separación que consta de una columna de
destilación y un pervaporador.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
5
10
15
20
25
30
35
Productividad
S [adimensional]
Px
Bioreactor 1
Bioreactor 2
Productividad máxima
0 50 100 150 200 250 300 3500
1
2
3
4
5
6
7x 10
-3 Pervaporación
area de la membrana hidrofilica [m2]
Flu
jos
en
el
Re
ten
tato
Flujo etanol
Flujo agua
0 50 100 150 200 250 300 3500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1x 10
-3 Pervaporación
area de la membrana hidrofilica [m2]
Flu
jos
en e
l Per
mea
to
Flujo etanol
Flujo agua
Figura 5. Moldeamiento del pervaporador usado para la purificación de etanol.
Esto hace más efectivo el proceso, pero los costos de las membranas no son aun tan accesibles
económicamente, pero se ha visto una tendencia en la baja de los precios de las mismas lo cual a un
futuro muy cercano sería de gran factibilidad montar este sistema.
Análisis económico
La producción de etanol en Colombia representó el 0,7% de la oferta mundial de 2006, con 1,72
mmba (274 millones litros), producidos por 5 ingenios azucareros del valle geográfico del río
Cauca, cuya capacidad instalada es de 2,4 mmba (1.050.000 l/día). Estas plantas son abastecidas
con 3,8 millones de toneladas de caña de azúcar, equivalentes al 16% de la producción del país. El
valle geográfico del río Cauca ofrece condiciones excepcionales para este cultivo, las cuales han
permitido obtener un rendimiento de conversión a etanol de aproximadamente 56,61 bb/ha/año
(9.000 l/ha/año), siendo posiblemente la región más productiva del mundo, por ello los datos de
gastos agronómicos fueron basados en esta región del país. Cinco destilerías en diferentes
locaciones en el país están en funcionamiento, como se muestra en la siguiente tabla.
DESTILERIA CAPACIDAD
(l/dia)
Fecha de
Funcionamiento
Incauca 300.000 Octubre 2005
Providencia 250.000 Octubre 2005
Manuelita 250.000 Marzo 2006
Mayaguez 150.000 Marzo 2006
Risaralda 100.000 Marzo 2006
TOTAL 1.050.000 Fuente: ASOCAÑA
Tabla 3. Capacidad de Producción de alcohol a base de caña de azúcar
La caña de azúcar es la materia prima predilecta por sus altos rendimientos y bajos costos de
producción agrícola y menores gastos en la etapa de acondicionamiento. Estos rendimientos están
entre los más altos del mundo y se han alcanzado gracias a un trabajo conjunto entre los
productores, los ingenios y las asociaciones gremiales. Este trabajo se ha orientado a desarrollar
cultivos altamente tecnificados y nuevas variedades de caña altamente productivas, y a la utilización
0 50 100 150 200 250 300 3500.86
0.88
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
Pervaporación
area de la membrana hidrofilica [m2]
Frac
ció
n m
ola
r d
el e
tan
ol e
n e
l re
ten
tato
fracción molar etanol
0 50 100 150 200 250 300 3500.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.22
Pervaporación
area de la membrana hidrofilica [m2]
Frac
ció
n m
ola
r d
el e
tan
ol e
n e
l pe
rme
ato
fracción molar etanol
del riego para superar los problemas generados con la disponibilidad de agua. Además, las
condiciones agroecológicas del valle del río Cauca.
La FAO confirma que Colombia tiene uno de los mayores rendimientos promedio de caña en el
mundo. La Caña genera su propia Energía de Procesamiento Industrial a través del Bagazo que se
quema en las Calderas del Ingenio, lo que minimiza costos por concepto de gastos en Energía de
Transformación, aporta valor agregado al residuo celulósico y resuelve satisfactoriamente el
problema de salud pública que alternativamente podría generarse. Sin embargo, el empleo de esta
depende fuertemente del mercado del azúcar. Los ingenios controlan el volumen de producción de
etanol según los precios del azúcar a nivel internacional, factor que puede agravar de forma
determinante el suministro de alcohol carburante en el país.
En lo que respecta al maíz, Colombia ocupó el puesto 41 entre los países productores de maíz con
un total de 1’398.723 toneladas en 2004 con una tendencia a la baja en los años 2007-2008.
Actualmente, el país no a traviesa la mejor situación debido a que por malas políticas en el sector
agrónomo, se ha tenido que importar el grano de maíz, elevando su precio en una forma
considerable y haciéndolo poco competitivo para ser utilizado como materia prima de producción
de alcohol carburante.
En las condiciones colombianas, recientes investigaciones de la Universidad Autónoma, muestran
una ventaja potencial para el cultivo de remolacha, que podría llegar a producir 24.000 litros de
alcohol por hectárea. No obstante, los resultados obtenidos en Francia, el mayor productor de
alcohol a partir de remolacha, datan de 7.000 lt/Ha, según el estudio desarrollado por USDA “The
Economics Feasibility of Ethanol Production from Sugar in the USA”, por lo cual se requerirán
mayores investigaciones al respecto. Sin embargo sería un factor a tomar en cuenta a la hora de
seleccionar una materia prima para la consolidación de nuevos proyectos en el país.
En la siguiente gráfica y tablas se puede observar los rendimientos de las materias primas para la
producción de alcohol, sin embargo estos rendimientos vienen ampliamente ligados a las
condiciones y políticas de cada país.
Fuente: Confecampo 2008
Figura 6. Rendimientos de materias primas para etanol
Fuente: Worldwatch Institute
Figura 7. Rendimientos de conversión de etanol por tipo de biomasa
CULTIVO Rendimiento (L/Ha)
Caña 8.400
Remolacha 24.000
Maiz 1.600 Fuente: Federación Nacional de Biocombustibles
Tabla 4. Rendimiento de materia prima para producción de etanol
CULTIVO RENDIMIENTO
AGRICOLA (t/ha/año)
RENDIMIENTO
EN ALCOHOL
(l/t)
Caña de azúcar 40-120 70
Remolacha 10-40 120
Maiz 1-4 400 Fuente: Bennett (1980) y Menezes (1980)
Tabla 5. Rendimiento de cultivos ricos en carbohidratos en producción de alcohol
Como se puede ver, la remolacha presenta mayor rendimiento como se obtuvo en las simulaciones,
aunque estos datos como se dijo anteriormente son poco confiables.
De acuerdo con la información disponible, entre el 47% y el 58% de este costo corresponde a la
materia prima, entre 13% y 24% a insumos, entre 6% y 18% a costos de operación y mantenimiento
y entre 11% y 23% a costos de capital. Ya que esta etapa es concluyente en el total de los gastos, se
busca reducir la diferencia entre los costos de producción y el valor del mercado de los
biocombustibles, a través de incentivos al mejoramiento de la eficiencia en los eslabones de la
cadena productiva que más lo requieran. Por ello, es de gran importancia buscar la forma de reducir
los gastos de energía en esta etapa de acondicionamiento o encontrar una materia prima en la cual
los gastos en el sector agronómico no sean tan elevados.
A pesar de los nuevos proyectos y de las cinco destilerías que están en funcionamiento, las
posibilidades de producción de biocombustibles en Colombia hacia la exportación están limitadas,
no solo por la velocidad de crecimiento o implantación de nuevos cultivos energéticos, sino también
por restricciones que podrían ser impuestas en ciertos mercados. Si Colombia quiere exportar, debe
trabajar profundamente en solucionar este tipo de problemas.
Evaluación económica en ASPEN ICARUS
Una vez obtenidos los resultados de la simulación en Aspen Plus 7.1 o 2006.5 se exportan los datos
de la misma a la herramienta de la misma empresa para la evaluación económica del proceso
llamada Aspen economic analyzer. Para determinar el costo del proyecto es necesario utilizar
información de costos como el salario a un obrero, el salario al supervisor de la planta, el costo de la
materia prima, el costo del producto, el costo de los servicios de la planta como luz, agua potable,
costo de gasolina, Etc. Además de lo mencionado también es de importancia tener en cuenta el
dimensionamiento que se hace a los equipos que no estaban bien definidos en Aspen Plus, por
tratarse de modelos de usuario. La evaluación en el software se hace en dólares americanos.
Los parámetros para ingresar al evaluador económico fueron.
Materias Primas: La caña de azúcar se encuentra a un precio promedio de 17 dólares/ tonelada en
Centroamérica y Suramérica. La remolacha azucarera tiene un precio aproximado de 24 Euros por
tonelada y el maíz tiene un precio un poco más elevado comparado con las dos matrerías primas
anteriores, 156 USD/Ton.
Producto: en el mundo el Etanol carburante se vende al precio del 2010 entre 0.35 y 0.45 Dólares
por kilogramo, datos tomados de industrias productoras de Costa rica, Brasil y otros países de
Centroamérica.
Salario mínimo en Colombia: en la industria química los obreros generalmente son remunerados de
acuerdo al salario mínimo vigente para este año, que es de 514900$, por consiguiente el precio por
operario se calculó en 5 $US/h, contando con una buena remuneración. De manera análoga se
establece que el salario del supervisor de planta (generalmente un ingeniero de procesos) es de 15
$US/h.
Precio de la Luz: El precio por Kilowatt de energía para una planta química o para el sector
Industrial, según la CHEC en Manizales es de 700$/Kw equivalente a 0.3586 $US/Kw.
Precio del agua Potable: Manizales se ha destacado por tener una de las empresas de agua del país,
que brinda la mejor calidad. En base a lo que establece Aguas de Manizales el precio por m3 es de
3230$. En dólares 1.655 US$/m3
Una vez definidos estos parámetros se puede determinar el costo total del proyecto. Los resultados
se presentan en las siguientes tablas.
Caña de azucar Costo total del proyecto 9320000 $US
Costo Total de operación 6474210 $US
Costo total de la materia prima 147148 $US
Servicios 4060000 $US
Total de ventas de producto 2250000 $US
Remolacha azucarera Costo total del proyecto 8380000 $US
Costo Total de operación 6470100 $US
Costo total de la materia prima 242157 $US
Servicios 3050000 $US
Total de ventas de producto 2410000 $US
Maiz Costo total del proyecto 1070000 $US
Costo Total de operación 6320000 $US
Costo total de la materia prima 215000 $US
Servicios 3050000 $US
Total de ventas de producto 7170000 $US Tabla 6. Costos totales de los proyectos
La materia prima menos costosa resulto ser caña de azúcar sin embargo las cantidades de las tres
simulaciones no difieren tanto entre el proyecto a partir de remolacha azucarera y la caña de azúcar.
Sin embargo sería más factible obtener más fácilmente como materia prima la caña de azúcar que la
remolca.
Description Specification Basis Rate per
Hour Units Rate Units
Cost per Hour
Raw Material
Product (Ethanol)
Volume, Liquid 704,103716 L L/H 281,591467 Caña
Volume, Liquid 613,1205 L L/H 311,657812 Remolacha
Volume, Liquid 224,85093 L L/H 896,348726 Maíz
Feed
Mass, Liquid 10821,52599 KG KG/H 18,393542 Caña
Mass, Liquid 15203,57456 KG KG/H 13,345441 Remolacha
Mass, Liquid 50630,0893 KG KG/H 789,983426 Maíz Tabla 7. Costos de productos y de materias prima.
El periodo evaluado del proyecto es de 20 años. Como se puede ver con facilidad en la tabla 6 el
precio total del proyecto equivale cerca de 9.32 millones de dólares a partir de caña, 8.3 millones de
dólares a partir de remolacha azucarera y 1.07 millones de dólares a partir de maíz , lo que es un
costo alto para un proceso con una materia prima tan relativamente económica, sin embargo, es
importante ver que por precio de ventas de etanol carburante, mucha parte de la inversión se
recupera con rapidez pues el porcentaje de retorno por año es del 20% mostrado en el informe
generado por el software, pero los primeros periodos el flujo de caja será negativo debido a que el
mayor costo del proceso es el costo de operación que incluye el dimensionamiento de los equipos y
el costo directo de los mismos.
Análisis de corrientes y Ambiental
La producción de biocombustibles a partir de vegetales se encuentra entre los principales medios
para combatir el cambio climático, propósito internacional adoptado por un grupo de países a través
del Protocolo de Kyoto, dicho protocolo forma parte de la legislación colombiana en virtud de la ley
629 de 2000. Un análisis ambiental de un proceso no solo es necesario para ser amigables con el
ambiente sino que también se tiene que hacer para verificar que la industria cumpla con unos
estándares de la legislación ambiental, como los estándares de producción limpia y calidad del aire.
El etanol es un componente libre de compuestos aromáticos, de benceno y de azufre que son
indeseables en los combustibles, por lo tanto la mezcla contiene menos hidrocarburos tóxicos y
contaminantes, produce menos humo en la combustión y genera menos emisiones por el tubo de
escape (material particulado, humos, CO, hidrocarburos sin quemar, óxidos de azufre, etc.). Al
utilizar el 10% de etanol en las gasolinas hay reducción de emisiones de CO entre 22% y 50% en
vehículos de carburador y reducciones menores en vehículos de inyección, así mismo se obtiene
una reducción de emisiones de hidrocarburos totales THC entre 20% y 24%.
Sin embargo, en el momento de producir estos biocombustibles se generan cierta cantidad de
desechos contaminantes, además de los provenientes de las actividades agrícolas desarrolladas para
la obtención de las diferentes materias primas.
A la hora de analizar el impacto ambiental causado por la utilización de las materias primas y la
producción de biocombustibles a partir de estas, se debe tener especial atención con: la expansión
de la frontera agrícola, cambio en las estructuras productivas, amigabilidad ambiental y sobre la
biodiversidad de los sistemas de producción, distribución de la tenencia de la tierra; e impacto
sobre la seguridad alimentaria: todos estos desde la mirada de su relación con la biodiversidad a
nivel eco sistémico, incluyendo el impacto sobre los recursos para alimentación y la agricultura.
Un factor importante en el uso de estas materias primas (caña, remolacha y maíz) en Colombia, es
la poca planificación ambiental territorial que se le ha dado a los cultivos lo que ha conllevado a una
presión sobre los ecosistemas naturales. Esto se presenta debido a que se han sustituido cultivos de
otras actividades agronómicas, ampliando las siembras de estas materias primas que sufren la
transformación de los sistemas productivos diversificados con implicaciones sobre la conservación
y uso sostenible de la agrodiversidad y cambios en la producción de alimentos de consumo local,
regional y nacional.
En la figura 8 observamos el comportamiento de diferentes materias primas con el índice de
amigabilidad ambiental. Mostrándose que las tres materias primas prácticamente poseen la misma
conducta.
Figura 8. Índice de amigabilidad ambiental
En el caso de la caña de azúcar que es la materia prima que presenta mayores rendimientos y es la
de mayor utilización en el país, en el aspecto de sustitución de cultivos los impactos podrían ser
menos favorables y con altas restricciones cuando la sustitución está dada entre ganadería extensiva
y monocultivos. El cultivo de esta materia prima está ligado al uso de agroquímicos, maquinaria,
alta demanda de recurso hídrico, entre otros factores que deberían evaluarse con mayor rigor, más
aun cuando los proyectos son de gran escala como los clústers productivos consolidados en el Valle
del Cauca. Sin embargo, cuando los cultivos de caña de azúcar reemplazan otros cultivos
transitorios, similar a este, como por ejemplo el arroz, los impactos podrían ser neutros. No
obstante, dicha evaluación deberá incorporar otras consideraciones, como impacto sobre la
producción de alimentos en particular para los casos del arroz, maíz, soya, de importancia en la
alimentación humana y animal.
Ha de tenerse en cuenta que cada cultivo contamina. Para el caso de la caña de azúcar el impacto
sobre las aguas superficiales es negativo y se da por las labores como el control de malezas y la
fertilización química, que se acentúa en la época de lluvias. Los residuos de plaguicidas y de
fertilizantes son arrastrados hacia los ríos o fuentes naturales de agua con ayuda del agua de riego,
con lo que el agua se contamina con agentes biosidas o aumenta su concentración de nitratos. El
riego así como el lavado de la caña, tienen el inconveniente de que disminuyen el caudal de agua
disponible para otros usos (consumo humano, transporte, recreación, etc.) de los ríos de los que se
alimentan. Por su parte el establecimiento de los canales de riego y drenaje así como la nivelación,
tienen un impacto positivo sobre las aguas superficiales al canalizar y distribuir mejor las aguas
pluviales que se obtienen por percolación y lixiviación y al evitar encharcamientos. La arada, el
surcado y la siembra ejercen un impacto positivo sobre las aguas pues descompactan el suelo
mejorando su aireación y su capacidad para filtrar las aguas pluviales.
Además, este tipo de cultivos también tienen un impacto negativo sobre las aguas subterráneas, por
la fertilización química, ya que los nitratos liberados muchas veces no son absorbidos por las
plantas ni organismos con lo que se filtran hacia las capas más profundas de la tierra hasta llegar a
los mantos de agua subterránea. Los canales de riego en ocasiones son alimentados con aguas que
se encuentran bajo la capa terrestre a través de pozos. La labor de riego disminuye la cantidad de
agua disponible para otros usos por lo que se considera que su impacto es negativo. Al igual que en
el caso de las aguas superficiales, en las aguas subterráneas el establecimiento de los canales de
riego y los drenajes tienen un impacto positivo.
El proceso que genera un mayor impacto ambiental negativo sobre la atmósfera es la quema de la
caña, debido a la liberación de dióxido de carbono (CO2). Ha sido un tema controversial, pero se
reconoce que la quema de la caña antes de la corta es una actividad necesaria y que además mejora
la calidad del producto. La alternativa a la quema la constituye la maquinización del proceso de
corta, lo cual resulta económicamente elevado para los productores, y en algunos casos es
técnicamente imposible por la topografía de los terrenos. La principal implicación económica
consiste en la posibilidad de dejar de ser competitivo, como resultado de la utilización de esta
tecnología.
Otras actividades con un impacto negativo sobre la atmósfera son la molienda, el lavado y la
centrifugación, actividades pertenecientes a la fase de producción en la industria que por lo general
generan mucho ruido. Por su parte la fertilización orgánica conlleva la emisión de olores fuertes por
la descomposición de la cachaza que se percibe en las zonas aledañas al lugar de aplicación. El
control de malezas y la maduración artificial implican la emisión de plaguicidas. Esta práctica
ocasiona un impacto negativo leve sobre la calidad del aire por la acción biosida de las sustancias
utilizadas. Finalmente cabe destacar que la siembra de la caña tiene un impacto positivo alto sobre
la calidad de la atmósfera debido a que las características propias del cultivo lo hacen muy eficiente
en la fijación de dióxido de carbono, aún más que un bosque natural.
Otro factor importante a tener en cuenta es la erosión, nuevamente aquí son las labores de control de
malezas y la quema las que generan el mayor impacto ambiental negativo. Esto por cuanto ambas
actividades eliminan la capa vegetal del suelo, con lo que se favorece la erosión tanto hídrica como
eólica. Durante otras fases del proceso de cultivo de caña se mitigan los efectos adversos de la
erosión, dentro de ellos destaca la nivelación; la siembra, puesto que el sistema radicular de la caña
es muy profuso; la fertilización orgánica y la remanga, ya que dichas actividades implican la
incorporación de materia orgánica en el suelo con lo que, además de protegerlo del contacto directo
con el agua y el viento, al descomponerse forma suelo nuevo.
Los cultivos de remolacha y maíz constituyen prácticamente las mismas amenazas, sin embargo se
debe resaltar que el almacenamiento del maíz es un factor de gran importancia, ya que el acopio por
tiempo prolongado permite el crecimiento bacteriano en la superficie del grano que conlleva a una
elevación en la temperatura haciendo de este una sustancia inflamable, provocando grandes
incendios.
En la producción de etanol a partir de caña de azúcar se generan grandes cantidades de bagazo. Este
material se emplea como combustible debido a su alto contenido calórico. De hecho la combustión
del bagazo permite producir el vapor requerido por el proceso de transformación de la caña a etanol.
El bagazo también puede cubrir las necesidades de energía eléctrica del proceso si se emplean
esquemas de cogeneración. Por otra parte, en el proceso de producción de etanol a partir de maíz
por molienda en seco, la gran mayoría de sólidos se concentran en los DDGS por lo que la
generación de residuos sólidos es limitada. Si se emplea la molienda húmeda, los sólidos generados
hacen parte de los diferentes subproductos del proceso, entre ellos la harina de gluten de maíz y el
alimento de gluten.
Por último, debe tenerse en cuenta que después de todo el proceso de obtención de biocombustibles
resultan desechos demasiados contaminantes que afectan notablemente el ambiente. Uno de estos
residuos son las vinazas provenientes de la destilación que indistintamente sea cual sea la materia
prima escogida para la fermentación se producen al final del proceso. En la tabla, se muestran las
composiciones de vinazas obtenidas a partir del procesamiento de diferentes materias primas.
El tema vinculado con el tratamiento, reducción de la carga poluente y posible uso de la vinaza
reviste gran interés ambiental y económico, y constituye uno de los elementos que posibilita o
inhabilita en un alto grado el desarrollo de un plan para producir alcohol carburante.
Genéricamente las opciones de manejo técnico de las Vinazas pueden resumirse en las siguientes
acciones:
Aplicación al suelo como fertilizante
Concentración por evaporación
Fermentación anaeróbica para la producción de Metano.
Bioconversión para la producción de Biomasa
Incineración de Vinaza concentrada
Otros tratamientos que reducen su carga poluente se basan en principios de índole: químico,
microbiológico, incorporación en Medios de Cultivo.
(Dilución y adición de bacterias amoniacales), etc.
Fuente: Sánchez O.J. 2008
Tabla 8. Principales características de las vinazas generadas en varios procesos de producción de etanol
Para el análisis ambiental de las corrientes de cada simulación se utilizo un software libre obtenido
de la página de la EPA, WAR GUI. Los reportajes generados en Aspen Plus fueron cargados en
dicho software. Se tienen en cuenta que debido a las vinazas uno de los factores de mayor cuidado
es la toxicidad acuática. Además también el CO2 es un producto de la fermentación el cual es
removido y por absorción lo cual genera efluentes con este gas disuelto. Sin embargo como ya se
había mencionado algunos residuos sólidos como los del bagazo son quemados lo cual genere más
dióxido de carbono, por lo que también se tiene en cuenta en el análisis de la calidad del aire.
Figura 9. Gráfica del análisis ambiental obtenida con WAR GUI para la producción de etanol carburante a partir de caña.
Las siguientes siglas son representativas en la figura 9 acerca del impacto ambiental y una categoría
de impacto.
ATP: fathead Minnow.
GWP: Global Warning Potencial.
AD: Acidificatión Potencial.
Figura 10. Gráfica del análisis ambiental obtenida con WAR GUI para la producción de etanol carburante a partir de
Maíz.
Categorías representativas del proceso.
HTPI and TTP: Rat Oral.
ATP: fathead Minnow.
PCOP: Photochemical oxidation Potencial.
Figura 11. Gráfica del análisis ambiental obtenida con WAR GUI para la producción de etanol carburante a partir de la
remolacha azucarera.
El impacto ambiental más fuerte está dado por el proceso en el cual se utiliza caña como materia
prima, el impacto ambiental total es del orden de 106 mientras el impacto ambiental con maíz como
materia prima es de 11 mil y de 500 para la remolacha como materia prima de producción de
alcohol carburante. Se evidencia entonces que el proceso más amigable al ambiente es el proceso
con la remolacha azucarera.
Análisis de impacto social
La humanidad se enfrenta a un cambio de paradigma en materia de energía, pasar de la extracción
de combustibles fósiles, de fuentes no renovables, a la generación de energía con fuentes
renovables, en armonía con el medio ambiente.
Este paso genera serios interrogantes por sus impactos en los sectores ambiental y social. La
producción de biocombustibles supone la competencia por el uso de recursos – tierra y agua - entre
biocombustibles y alimentos.
En el ámbito social, la mayor amenaza que representan los biocombustibles es la seguridad
alimentaria de la población. El uso de materias primas para la producción de etanol que también
están destinadas para el consumo humano acarrea un problema de orden público y político,
especialmente en los países en vía de desarrollo, quienes dependen de la producción agrícola.
Aproximadamente el 70% de las personas pobres del mundo que viven en zonas rurales están en
riesgo, y muchas de ellas dependen de la agricultura para su subsistencia.
Es probable que la mayor demanda de biocombustibles aumente el costo de la tierra, la mano de
obra y los insumos agrícolas. Por ejemplo, la demanda de cultivos que se utilizan como materia
prima, como el maíz y la caña de azúcar, ha contribuido en gran medida a que los precios mundiales
de los alimentos se volvieran volátiles, especialmente en los mercados de cereales. Si bien el maíz
es de los productos que actualmente se usa en cantidades significativas en la producción del etanol,
pero es el trigo el que ha experimentado el mayor aumento de precio. La explicación podría ser que
al darse un aumento en el precio del maíz, la demanda por trigo y arroz aumenta ya que son
productos sustitutos, siendo estos últimos la base de la canasta familiar de países como Colombia.
En 2006, el índice de precios de los alimentos que calcula FAO, subió 9%, para 2007 había crecido
a 24% y en 2008 se habría acumulado un incremento cercano al 40%. Así, los precios de los
alimentos habrían experimentado un alza de 87% entre 2005 y febrero de 2008. En ese período, los
cereales encabezan los aumentos de precios, registrando un crecimiento de 165%. Hoy en día, por
cada 1% de aumento del costo de los alimentos, se pierde la seguridad alimentaria de 16 millones de
personas.
Sin embargo, la actual situación alimentaria no puede atribuirse sólo a una causa como puede ser la
producción de biocombustibles a partir de cultivos alimentarios, más bien es un complejo de
factores que han coincidido en el escenario mundial, entre ellos sin duda los biocombustibles. Los
diversos análisis marcan los siguientes hechos:
a) La demanda mundial de productos agrícolas se encuentra afectada por el incremento del
consumo en las economías emergentes.
b) La oferta mundial de alimentos ha disminuido como consecuencia de fenómenos
naturales, sequías, tormentas tropicales, huracanes, etcétera.
c) El aumento en los precios del petróleo ha impactado los precios de los insumos agrícolas
como los fertilizantes y productos fitosanitarios agrícolas, energía y costo de transporte
(REDPA, 2008).
Por otra parte, buena parte del sector productivo agrícola ha puesto gran interés en el desarrollo de
los biocombustibles al considerarlos una oportunidad para mejorar la cotización de su producción.
Es claro que la demanda de biocombustibles hará que los cultivos energéticos se valoricen
generando precios mucho más altos que los que originalmente se pagaban por esos mismos cultivos
cuando su destino era la industria alimenticia.
Se espera que la adopción de los biocombustibles dé lugar a nuevas industrias, mayor actividad
económica y aumento de los ingresos para quienes participan en la producción de materias primas y
la elaboración final; por lo tanto, el cambio ofrece posibilidades de reducir la pobreza en algunos
casos.
No obstante, una ampliación de la producción de biocombustibles de primera generación,
principalmente a partir de cultivos agrícolas, provocará un alza del precio de los productos de este
sector y, probablemente, más hambre y pobreza. También es posible que se produzcan efectos
negativos, como la marginación de los pequeños agricultores.
Desde este último punto de vista, debe analizarse que los sectores más desprotegidos – en áreas
rurales - mantienen su consumo energético de fuentes de energía tradicional, como por ejemplo la
leña, cuyos efectos negativos a la salud y al ambiente han sido reconocidos a nivel internacional y
nacional.
La bioenergía moderna está fuera de su alcance, tanto para consumo, como para su generación. En
algunos foros se ha argumentado que los pequeños productores del campo tendrían en la producción
de biocombustibles una importante participación que pudiera reducir la pobreza en que viven. Sin
embargo, esto no es factible porque por su escala, el producto agrícola que pudieran llegar a ofertar
debiera de ser caro, y la industria energética lo que busca es una materia prima barata, por tanto el
campesino no le daría ni los volúmenes, ni el precio que ésta requiere.
En las siguientes tablas se muestra la generación de empleo causada por el uso de biocombustibles,
además de las proyecciones de empleo en el área agrícola (parte fundamental, que afecta
principalmente el sector económico y social del país).
INDICADOR MEZCLA
10%
MEZCLA
25%
Alcohol (l/dia) 1.400.000 3.400.000
Area de caña (ha) 47.500 115.500
Empleos directos 8.100 19.800
Empleos indirectos 48.800 118.500
Total empleos vinculados 56.900 138.300 Fuente: ASOCAÑA
Tabla 9. Calculo de empleos vinculados a la producción de alcohol
Fuente: UPME y Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural (MADR) – Cálculos DNP: DDRS
Tabla 10. Proyecciones de área y empleo agrícola directo
Tratamiento de efluentes (Alternativas)
En los tres procesos se utilizan intercambiadores de calor tanto para calentar como para enfriar. Se
utilizan para calentar el jugo de la caña el de la remolacha, se utilizan para condensar o evaporar en
la columna de destilación entre otros. Se podrían integrar estos fluidos de servicio para no perder la
energía transferida en cada uno de las operaciones específicas de cada intercambiador, por ejemplo,
un fluido de servicio caliente que sale de un intercambiador de enfriamiento podría servir como el
fluido de servicio de un intercambiador de calentamiento.
Para las vinazas lo que más comúnmente se utiliza son biorreactores los cuales degradan este
material para convertir en residuos tratables con el ambiente, pero el diseño de estos reactores es
especifico del procesos para el cual habría que hacer un estudio cinético del DBO (Demanda
Biológica de Oxígeno) para poder diseñar el reactor. También podría dársele un valor agregado a
estas vinazas al utilizarlas como abono orgánico pero esto incluiría un pre tratamiento de la vinaza.
El bagazo que es un residuo en el proceso con caña de azúcar, realmente puede o es un material de
valor agregado por su contenido de celulosa y hemicelulosa el cual sirve para la producción de
etanol carburante, sin embargo el proceso se modificaría un poco. También se utiliza como
generador de energía por combustión.
Conclusiones
En la optimización del sistema reactivo se obtuvo una conversión global muy cercana al
100% con una batería de dos quimiostatos tarbajando en sus puntos óptimos. Más de dos
reactores es innecesario según los resultados obtenidos en el modelamiento en Matlab, sin
embargo al dimensionar los reactores se obtiene un volumen mayor ene l primer reactor el
cual es el que hace la mayor parte del esfuerzo obteniéndose una conversión cercana al 90%
trabajándose en el punto óptimo de dilución.
El utilizar un sistema hibrido (Destilacion-Pervaporación) se evita uso de solventes o
adsorbentes que aumentarían costos a largo plazo por su purificación o regeneración según
sea el caso, debido a que la membrana del pervaporador permite obtener una purificación
casi del 100% del etanol.
Según los resultados obtenidos por Aspen Icarus el proceso más rentable es el que utiliza
remolacha azucarera como materia prima debido a que se obtiene el mayor costo de venta
de producto y a su vez el menor costo de proyecto. Los otros dos procesos son similares en
cuanto a costos de proyecto y de venta de producto.
El proceso más amigable con el ambiente según el algoritmo de reducción de residuos
resulto ser el que utiliza como materia prima la remolacha azucarera el cual tiene una
diferencia de impacto ambiental cercana a 10 mil respecto al maíz y de 105 respecto al de
caña de azúcar.
De escogerse un proceso después de los análisis en Aspen Icarus y en WAR GUI se
escogería el proceso de producción de etanol carburante a partir de remolacha azucarera
debido a que es el más rentable y el más amigable con el ambiente.
De escogerse un proceso entre el de caña de azúcar y el de maíz se escogería el de maíz
debido a que es mucho más amigable con el ambiente que el de la caña azucare, aunque los
costos de venta de producto y costo de proyecto sean similares.
La posibilidad de mejorar los procesos de producción y reducir los costos de producción de
los biocombustibles, existe realmente en la medida en que se mejore la productividad para
obtener las materias primas, por lo tanto se hace indispensable la investigación en
tecnologías de producción para los cultivos, fuente de materia prima para biocombustibles,
como también la transferencia de esas tecnologías a los productores. De igual manera se
debe hacer énfasis en los procesos de organización de los productores, que garanticen la
producción sostenida y el suministro estable de materia prima para los biocombustibles.
Para lograr la seguridad energética frente a la posibilidad que el país deje se der
autosostenible en materia de combustibles fósiles, los biocombustibles representan una
alternativa en la cual Colombia posee ventajas comparativas. Teniendo en cuenta los
beneficios ambientales, económicos y sociales que nos brinda el territorio para el desarrollo
de combustibles alternativos a los derivados del petróleo.
La producción de biocombustibles a partir de los cultivos tradicionales como la caña de
azúcar, el maíz y la remolacha, los cuales han sido seleccionados y mejorados para la
producción alimentaria (no para uso energético), el cual su precio se determina en este
mercado, hace que los biocombustibles no sean competitivos y se requiera liberarlos de
impuestos para que lleguen al mercado en competencia con las gasolinas.
Bibliografía
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[7] http://www.maquinariapro.com/maquinarias/generadores-de-vapor.html
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