Producción de bioetanol de segunda generación a partir de los residuos de la industria de aceite de palma

Integrantes

Karen Albarracín

Laura Gómez

Andrea Mahecha

Diana Moreno

23/04/2019

Producción de bioetanol de segunda generación a partir de los residuos de la industria de aceite de palma

1. Introducción

Investigadores de las universidades Nacional y de Antioquia trabajan conjuntamente para obtener bioetanol a partir de los residuos lignocelulósicos procedentes de la extracción de aceite de palma. Este tipo de residuos, que se generan en todos los procesos agroindustriales, son materiales vegetales que quedan después de extraer el aceite de los productos de la palma africana, los cuales se han convertido en un problema ambiental porque no cuentan con un buen manejo y disposición. (Imagen 1.1)

Los principales componentes de la biomasa vegetal son celulosa, hemicelulosa y lignina, los cuales se encuentran en la pared celular de las plantas como una mezcla compleja de polisacáridos, pectina y lignina (Simmons et al., 2008). Dentro de estos la celulosa es el polisacárido más abundante, que está formado por una cadena lineal de residuos de glucosa y es el principal componente estructural de las plantas. La degradación de la biomasa lignocelulósica es llevada a cabo por una gran cantidad de microorganismos, que poseen enzimas que son capaces de producir azúcares fermentables que podrán ser utilizados en la producción de bioetanol (Lynn et al., 2002; Rubín, 2008). Debido a la extensa distribución de la materia lignocelulósica, existen una gran variedad de microorganismos que poseen enzimas capaces de hidrolizarla. Estos crecen en varios ambientes y en diferentes condiciones de oxígeno, temperatura, salinidad, entre otras. Los materiales lignocelulósicos poseen un enorme potencial industrial, debido a su bajo costo y abundancia, es por ello que en las últimas años se ha incrementado el estudio de microorganismos que puedan degradar estos materiales (González et al., 2005). La producción de bioetanol lignocelulósico se lleva a cabo en varias etapas, es necesario, una vez recolectados los desechos vegetales, aplicar un pre tratamiento de estos desechos para romper la estructura de la matriz lignocelulósica, ya sea físico, químico o térmico, posteriormente se realiza una hidrólisis enzimática, llevada a cabo por una mezcla de enzimas celulíticas. Posteriormente, la fermentación de los azúcares en etanol mediante cepas de levaduras que metabolizan la glucosa al etanol. Como etapa final está la destilación-rectificación-deshidratación, que es la separación y purificación de etanol a las especificaciones del combustible (Howard et al., 2003; Rubín, 2008).

[pic 1]

Imagen 1.1

1. Contexto nacional

Al emplear gasolina fósil se está contaminando un 100%, pero si se mezcla con etanol se reduciría un 74% la emisión de gases invernadero. Y si se sustituye el diésel con el biodiesel, la disminución sería del 83%. El etanol producido en Colombia es el que más aporta al cuidado del medio ambiente comparándolo con otros países de la región como Brasil, cuyo aporte es de 65%.

Investigadores de las universidades Nacional y de Antioquia trabajan conjuntamente para obtener bioetanol a partir de los residuos lignocelulósicos procedentes de la extracción de aceite de palma. Este tipo de residuos, que se generan en todos los procesos agroindustriales, son materiales vegetales que quedan después de extraer el aceite de los productos de la palma africana, los cuales se han convertido en un problema ambiental porque no cuentan con un buen manejo y disposición. El estudio afirma que "si todas las plantas existentes de biocombustibles en Colombia operaran a plena capacidad, se podrían reducir alrededor de 1,8 millones de toneladas de dióxido de carbono al año. Lo que es equivalente al 3% del total de emisiones colombianas de CO2 en 2008, o al 8% de emisiones causadas por el sector de transporte en el país.

ELESPECTADOR.COM. (2012). En Colombia se producen biocombustibles sostenibles [online] Available at: https://www.elespectador.com/noticias/economia/ colombia-se-producen-biocombustibles-sostenibles-articulo-344776 [Accessed 8 Mar. 2019].

1. Diagrama de flujo 

[pic 2]

1.  A partir de los residuos de los diversos productos elaborados con palma africana se obtiene residuos lignocelulósicos procedentes del aceite de palma (biomasa) útil para la elaboración de bioetanol.
2. Durante el pre tratamiento el principal objetivo es reducir la cristalinidad de la celulosa, aumentar la celulosa amorfa, disociar el complejo celulosa-lignina, donde la lignina es liberada o descompuesta en unidades más elementales , aumentar el área superficial del material y disminuir la presencia de aquellas sustancias que dificulten la hidrólisis, empleando también procesos físicos (como trituración mecánica para la reducción del tamaño de partícula ) y químicos (montaño;2014)1 (alcalinos como el hidróxido de sodio al 8-12% de (p/p)), para alterar la estructura de la lignina aumentando así la accesibilidad enzimática a la celulosa y hemicelulosa durante un periodo de 30-60 minutos o ácidos como el ácido sulfúrico en una concentración del 0.13% v/v ,un pH de 3; la temperatura ideal para trabajar es de 100°C-120°C.
3. Para el proceso de hidrólisis  se aplica una hidrólisis enzimática en él se aplica un complejo enzimático llamado celulasas que permiten degradar los enlaces glicosídicos de los polisacáridos, liberando al medio glucosa; al ser aplicado este tratamiento se obtiene hexosas y pentosas. (Montaño, 2014).1, este proceso se realiza a condiciones suaves (un temperatura de 50°C) y un pH de 4.5-5 para garantizar las condiciones óptimas de la operación.
4. En la fermentación se hace un proceso anaeróbico realizado por levaduras, las cuales a través de los azúcares que se encuentran en plantas o celulosa, estas los convierten en una fermentación alcohólica de la cual se obtiene el alcohol. La fermentación alcohólica es una biorreacción que permite degradar azúcares en alcohol y dióxido de carbono. La conversión se representa mediante la ecuación: [pic 3]

Para este proceso la temperatura óptima es de 30°C y el pH de 5.0, para que la conversión de azúcares en etanol sea de mucho más eficaz, si se llegara a aumentar la temperatura o de pH  en algún momento de la fermentación se presentan pérdidas en cuanto a la obtención de bioetanol.

La conversión estequiometria de la glucosa y xilosa a etanol es de 0,51 g de etanol por gramo de azúcar. En la práctica es muy difícil obtener conversiones tan altas, ya que las levaduras derivan cierta parte de la fuente de carbono que consumen hacia el metabolismo celular y el crecimiento.

El microorganismo comúnmente empleado a nivel industrial en los procesos de fermentación alcohólica es la levadura Saccharomyces cerevisiae, ya que puede usar todo tipo de hexosas y produce etanol con unos rendimientos cercanos al máximo teórico (0,51 g/g). Además, si se emplea en procesos de producción de etanol a partir de lignocelulosa, muestra gran tolerancia a los productos tóxicos generados durante el pre tratamiento. No obstante, S. cerevisiae presenta una gran limitación cuando se quiere utilizar en la fermentación los azúcares hemicelulósicos ya que no es capaz de fermentar pentosas, como la xilosa, que también están presentes en los materiales lignocelulósicos.

Almenares-Verdecía, J., Ngoma-Presline, F. and Serrat-Díaz, M. (2019). TECHNOLOGICAL ASPECTS GENERAL FOR CONVERSION TO ETHANOL FROM BIOMASS LIGNOCELLULOSIC II. [Online] Scielo.sld.cu. Available at:

http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2224-61852011000300012&lng=en&tlng=en [Accessed 5 Mar. 2019].

1. La destilación consiste en la separación mediante calor u otros métodos  los diferentes productos líquidos obtenidos de la mezcla etanol/agua, allí se permitirá obtener el alcohol puro del cultivo de la fermentación anterior. Durante la primera destilación se obtiene el 45% del alcohol , que luego son enviados a una segunda destilación para mejorar su pureza

1.   TIPOS DE REACTORES EMPLEADOS

Se requiere un reactor de flujo continuo de tanque agitado (CSTR) en fase líquido, el cual opera en estado estacionario, recalcando que las condiciones de operación son establecidas previamente de acuerdo a la calidad de la materia prima. Este tipo de reactores permite mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Se requiere una agitación continua por lo tanto se asume que todas sus propiedades son iguales en el interior del reactor. Luego en etapas posteriores se realiza la separación, purificación y estabilización del bioetanol.

Se aplicará un reactor para hidrólisis enzimática en el cual hay una reacción química entre una molécula de agua y otra molécula, en la cual la molécula de agua se divide y sus átomos pasan a formar otra especie, este tipo de hidrólisis enzimática se emplea debido a que permite alcanzar altos rendimientos y eliminar el uso de productos químicos. Los productos de éste tipo de hidrólisis son en su mayoría pentosas y hexosas, entre ellas la glucosa, las cuales sirven posteriormente como fuente de azúcares para el proceso de fermentación. Se realiza en condiciones relativamente suaves (pH 4,8 y temperatura entre 45-50°C); además, no existe el problema de la corrosión. Normalmente, en la hidrólisis enzimática se emplea una mezcla de varias enzimas como las endoglucanasas, exoglucanasas y b-glucosidasas.

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