7.2: Producción de etanol de caña de azúcar
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La producción de etanol a partir de maíz se discutirá en la siguiente sección; esta sección se centrará en la producción de etanol de caña de azúcar. Entonces, ¿qué hay que hacer para obtener el azúcar de la caña de azúcar?
El primer paso es la recolección de caña de azúcar. Gran parte de la cosecha se realiza con mano de obra, particularmente en muchas regiones tropicales. Algunas cosechas se realizan mecánicamente. Luego, el material se transporta rápidamente en camión para reducir las pérdidas.
Luego se corta la caña y se muele con agua. Esto produce un jugo con 10-15% de sólidos del que se extrae la sacarosa. El jugo contiene compuestos orgánicos no deseados que podrían provocar lo que se llama inversión del azúcar (hidrólisis del azúcar en fructosa y glucosa). Esto lleva al paso de clarificación con el fin de evitar la inversión del azúcar.
En la etapa de clarificación, el jugo se calienta a 115°C y se trata con cal y ácido sulfúrico, lo que precipita inorgánicos no deseados.
El siguiente paso para la producción de etanol es la etapa de fermentación, donde se mezclan jugo y melaza para que se obtenga una solución de sacarosa al 10-20%. La fermentación es exotérmica; por lo tanto, se necesita enfriamiento para mantener la reacción en condiciones de fermentación. La levadura se agrega junto con nutrientes (nitrógeno y oligoelementos) para que la levadura siga creciendo. La fermentación puede realizarse tanto en reactores discontinuos como continuos, aunque Brasil utiliza principalmente reactores continuos.
La Figura 7.4 muestra un esquema de un proceso para la producción de etanol junto con la opción de producir azúcar refinada también. La caña de azúcar contiene lo siguiente: agua (73-76%), sólidos solubles (10-16%) y fibra seca o bagazo (11-16%). Se necesita una serie de procesos físicos y químicos que ocurren en 7 pasos para elaborar los dos productos principales, el etanol y el azúcar.
- Haga clic aquí para ver una alternativa de texto a la Figura 7.4
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Aquí hay una lista de las siete etapas del proceso de la caña de azúcar, seguida de una explicación paso a paso de las siete etapas:
Etapa 1: Extracción
Etapa 2: Tratamiento del jugo (que conduce al azúcar)
Etapa 3: Tratamiento del jugo (que conduce al etanol)
Etapa 4: Evaporador Multiefecto
Etapa 5: Cristalización, Secado
Etapa 6: Fermentador
Etapa 7: Destilación de Etanol
Explicación de las siete etapas que comienzan con la Caña
La etapa 1 (Extracción) da como resultado jugo [también produce bagazo]. El jugo se envía a dos etapas posibles: la Etapa 2 (eventualmente conduciendo al azúcar) o la Etapa 3 (eventualmente conduciendo al etanol).
La etapa 2 produce Jugo tratado [también produce pastel].
La Etapa 3 produce Jugo Tratado. El jugo tratado de la etapa 3 se envía a la etapa 6 (fermentador), mientras que el jugo tratado de la etapa 2 se envía a la etapa 4 (evaporador multiefecto).
El resultado de la Etapa 4 (Evaporador Multi Efecto) es el jarabe [esta etapa también produce vapor]. Este jarabe se envía en varias direcciones posibles.
Opción 1. El jarabe termina en la Etapa 5 (Cristalización, Secado), donde el jarabe se convierte en azúcar [o subproductos].
Opción 2. El jarabe pasa por la Etapa 5 (Cristalización, Secado), donde el jarabe se convierte en melaza y luego pasa a la Etapa 6 (Fermentador).
Opción 3. El jarabe va directamente a la Etapa 6 (Fermentador).
El resultado de la Etapa 6 (Fermentador) es el vino. El vino se envía a la Etapa 7.
El resultado de la Etapa 7 (Destilación de Etanol) es etanol [esta etapa también produce subproductos].
Entonces, ¿por qué producir tanto azúcar como etanol? Ambos son productos básicos, por lo que el precio y el mercado del producto pueden dictar cuánto de cada producto hacer. Así se configuran las plantas brasileñas de etanol. Para tener un proceso económico, todos los productos, incluso los subproductos, son utilizados de alguna manera.
Como se señaló anteriormente, uno de los principales subproductos es la fibra seca de procesamiento, también conocida como bagazo. El bagazo también es un subproducto del procesamiento del tallo de sorgo. Más comúnmente, el bagazo se quema para generar calor y energía para el procesamiento. La ventaja de quemar el bagazo es disminuir la necesidad de energía externa, lo que a su vez también disminuye la huella neta de carbono y mejora el balance energético neto del proceso. En el procesamiento de maíz, se elabora un coproducto que puede ser utilizado para la alimentación animal, llamado granos destiladores, pero este material también podría quemarse para proporcionar calor y energía al proceso. La Figura 7.5 muestra una instalación de combustión de bagazo. El principal inconveniente de quemar bagazo es su alto contenido de agua; el alto contenido de agua reduce la producción de energía y es un problema para la mayoría de las fuentes de biomasa en comparación con los combustibles fósiles, que tienen una mayor densidad energética y menor contenido de agua.
El bagazo (ver Figura 7.6) puede tener otros usos. La composición del bagazo es: 1) celulosa, 45-55%, 2) hemicelulosa, 20-25%, 3) lignina, 18-24%, 4) minerales, 1-4%, y 5) ceras, < 1%. Con el contenido de celulosa, se puede utilizar para producir papel y productos de papel biodegradables. Por lo general, se transporta en camiones pequeños que parecen tener “pelo” creciendo de ellos.
Crédito: Enerzine
Crédito: “Ribeira Principal-Distillerie II-canne à sucre déchiquetée” de Ji-Elle - Obra propia. vía Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Otro cultivo que tiene algunas similitudes con la caña de azúcar es el sorgo. El sorgo es una especie de pasto, con un tipo que se cría para grano y muchos otros tipos que se utilizan como plantas forrajeras (alimentación animal). Las plantas se cultivan en climas más cálidos y son nativas de regiones tropicales y subtropicales. El sorgo bicolor es un cultivo mundial que se utiliza como alimento (como grano y en jarabe de sorgo o melaza), como alimentación animal, producción de bebidas alcohólicas y biocombustibles. La mayoría de las variedades de sorgo son tolerantes a la sequía y al calor, incluso en regiones áridas, y se utilizan como alimento básico para las comunidades pobres y rurales. La Figura 7.7 muestra una imagen de un campo de sorgo.
Crédito: Servicio de Extensión de la Universidad Estatal de Mississippi
Estados Unidos podría utilizar varias fuentes alternativas de azúcar para producir etanol; resulta que el maíz es el alimento y método menos costoso y, por lo tanto, el más rentable para producir etanol. El Cuadro 7.1 muestra una comparación de diversas materias primas que podrían ser utilizadas para elaborar etanol, comparando los costos de las materias primas, los costos de producción y los costos totales. Cuando miras el uso de azúcar para hacer etanol (de diversas fuentes), puedes ver que los costos de procesamiento son bajos, pero los precios de las materias primas son altos. Sin embargo, en Brasil, los costos de alimentación de la caña de azúcar son significativamente menores que en otros países. Observe que los datos son de 2006.
Cuadro 7.1: Resumen de los costos estimados de producción de etanol ($/gal) a (Crédito: Desarrollo Rural del USDA)
| Artículo de Costo | Costos de materia prima b | Costos de procesamiento | Costos Totales |
|---|---|---|---|
| UC Maíz molienda húmeda | 0.40 | 0.63 | 1.03 |
| UC Maíz molienda en seco | 0.53 | 0.52 | 1.05 |
| Caña de azúcar estadounidense | 1.48 | 0.92 | 2.40 |
| US remolachas azucareras | 1.58 | 0.77 | 2.35 |
| Melaza de Estados Unidos c | 0.91 | 0.36 | 1.27 |
| Azúcar Crudo de Estados Unidos c | 3.12 | 0.36 | 3.48 |
| Azúcar Refinado de Estados Unidos c | 3.61 | 0.36 | 3.97 |
| Brasil Caña de azúcar d | 0.30 | 0.51 | 0.81 |
| UE remolacha azucarera d | 0.97 | 1.92 | 2.89 |
a Excluye los costos de capital
b Los costos de las materias primas para la molienda húmeda y seca del maíz estadounidense son costos netos de la materia prima; la materia prima para la caña de azúcar y la remolacha azucarera de EE. UU.
c Excluye costos de transporte
d Promedio de estimaciones publicadas