¡Descarga Informe de avance de modelos y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Matemáticas solo en Docsity!
Resumen- Para la asignatura Modelado de Sistemas se plantea desarrollar como proyecto final un reactor bioquímico para producción de etanol por fermentación de biomasa de desecho. Como punto de partida se realiza la fundamentación teórica respecto a la temática desglosando las palabras clave que enmarcan el proyecto, iniciando por la fermentación, luego la obtención del etanol, las biomasas de desecho y finalmente los reactores, relacionando definiciones y características de cada uno de estos aspectos. “La fermentación es una transformación química en plena ausencia de oxígeno (anaeróbica) que involucra microorganismos, los cuales por medio de procesos catabólicos permiten degradar azúcares para la obtención de alcohol y generalmente va acompañado de dióxido de carbono”. Es necesario contar con condiciones óptimas para que se genere una mayor concentración de alcohol [1]. Estos microorganismos son los principales responsables de la fermentación, los más utilizados para este proceso son las levaduras, pero también se logra con bacterias, hongos y algas, que son organismos capaces de transformar la glucosa en alcohol. La más frecuente en la industria es la levadura Saccharomyces cerevisiae, debido a su capacidad de crecer en ambientes anaerobios y su gran calidad al momento descomponer sustratos, principalmente hidratos de carbono, por lo que son la mejor opción para la obtención de alcohol [1]. Por medio de glicólisis, las levaduras oxidan la glucosa, convirtiéndola en dos moléculas de piruvato e igualmente moléculas de ATP (trifosfato de adenosina), que es fundamental para la obtención de energía, generando CO2 y etanol. El agua favorece la actividad de la levadura, debido a que esta necesita que la glucosa se encuentre disuelta en ella para facilitar su obtención y sobre todo favorece su movilidad en el medio, es decir, la levadura necesita que su alimento esté disuelto en agua para poderlo asimilar [1]. En la fermentación es importante controlar e identificar distintos factores que pueden alterar o favorecer el proceso de obtención de alcohol, los cuales son:
- pH: El pH es un factor que varía dependiendo del tipo de biomasa que se utilice. Existe una dependencia de la velocidad de crecimiento de las levaduras con el pH, por lo general para obtener una fermentación óptima con levaduras el pH debe estar entre 4.5 y 6 ó 2.8 y 3.8 dependiendo de su acidez [2]. “El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentación ya que las levaduras se encuentran afectadas por el ambiente, bien sea alcalino o ácido. Por lo general, el funcionamiento de las levaduras está en un rango que va aproximadamente desde 3.5 a 5.5 pH, siendo ideal específicamente valores de 5.1 a 5.5” [3].
- Temperatura: La temperatura es uno de los factores más importantes en la aceleración de la fermentación, debido a que las levaduras se comportan de manera distinta según la temperatura a la que se encuentren. Esta aceleración aumenta si la temperatura se encuentra en el rango de 28ºC A 32ºC, si la temperatura se encuentra en un rango mayor a los 50ºC, las levaduras se extinguen, y al encontrarse en una temperatura menor o igual a 0ºC entran en un estado de inactividad [2].
- Aireación: Al iniciar el proceso de fermentación la velocidad del crecimiento poblacional es mucho mayor, debido a que las levaduras poseen suficiente oxígeno para reproducirse, y cuanta más multiplicación de células se produzca, más poderosa será la fermentación inicial por la fortaleza de las células recién nacidas; luego de esto cuando las levaduras entran el proceso de ausencia de oxígeno comienza la conversión de hidratos de carbono en alcohol. Cuando la fermentación se realiza en un recipiente cerrado se genera una presión de gas carbónico que altera el metabolismo de las levaduras dificultando su función fermentativa [4].
- Humedad: La humedad es un factor importante en el proceso de fermentación, debido a que las levaduras necesitan que los hidratos de carbono estén disueltos de agua, puesto que es más fácil para las levaduras obtenerlos, además facilita la movilidad de la misma por el medio. “Mantener un grado de humedad óptimo es imprescindible, ya que los microorganismos que intervienen en la descomposición de la materia orgánica disminuirán su actividad si disminuye la humedad [5].
PRIMER INFORME DE AVANCE: REACTOR
BIOQUÍMICO PARA PRODUCCIÓN DE
ETANOL POR FERMENTACIÓN DE
BIOMASA DE DESECHO
Maria Paula Mantilla Arias, Aura Ximena González Cely, Juan Carlos Saavedra
Saavedra Merchán, Juan Camilo Gómez Espinel, Wilinton Yair Vargas Caro
Ahora, se abordan los aspectos relacionados con la obtención de etanol, en cuanto a sus características y producción, teniendo en cuenta la siguiente premisa que destaca su importancia: la dependencia hacia elementos que perturban el ambiente afecta cada día a toda la población mundial, “de ahí la necesidad de buscar alternativas que se distingan por su precio relativo, así como por su fácil acceso, e incluso la incidencia en el medio ambiente. En este caso aparecen los biocombustibles, y dentro de ellos el etanol, el cual, tiene la posibilidad de producirse en gran volumen [6]”. Después de determinar qué es el etanol y para qué sirve, se especifican los datos estadísticos de la demanda nacional de alcohol carburante (etanol), la distribución de etanol en el país y, específicamente, los indicadores del etanol anhidro de caña. “El compuesto químico etanol o alcohol etílico se presenta como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 ºC. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica. Su fórmula química es CH3-CH2-OH y es el principal producto de las bebidas alcohólicas. Entre sus características se tiene que es un líquido inflamable, incoloro y es el alcohol de menor toxicidad. También es usado como desinfectante o solvente. Puede ser utilizado como combustible alternativo. Se utiliza como aditivo que se añade a la gasolina para oxigenarla, el cual ayuda a que se produzca una mejor y limpia combustión [7]”. “La diferencia entre el etanol y el bio-etanol radica en el proceso de producción y la metodología del diseño[8]”, ya que el segundo tiene en cuenta el uso de biomasa para su obtención. Para la obtención de etanol: “todo producto que contenga hidratos de carbono como azúcares, almidón o celulosa puede servir de material de partida como: Materia azucarada: Caña de azúcar, remolacha, sorgo azucarado, mostos y jugos de frutas Materia amilácea: Cereales: Maíz, cebada, malta, trigo, centeno, tubérculos Biomasa celulósica: Madero, despojos de maíz, bagazo de caña de azúcar, residuos de fibras de papel, residuos sólidos urbanos. En los procesos que utilizan madera azucarada o amilácea, los mayores costos de producción corresponden a la materia prima [9]”. En cuanto al proceso de fermentación alcohólica se sabe que: “Es una biorreacción que permite degradar azúcares (glucosa y fructosa) en alcohol y dióxido de carbono. La conversión se representa mediante la siguiente ecuación: 2 C 6 H 12 O 6 = 2 CH (^) 3 − CH (^) 2 OH + 2 CO 2 (1) Glucosa = Alcohol etílico + Anhídrido carbónico Aproximadamente se produce 1 grado alcohólico por cada 17 gramos de azúcar contenidos en el mosto. Las principales responsables de esta transformación son las levaduras. La Saccharomyces cerevisiae es la especie de levadura usada con más frecuencia. Sin embargo, existen estudios para producir alcohol con hongos y bacterias, como la Zymonomas mobilis, pero la explotación a nivel industrial es mínima [10]”. De lo anterior se puede observar que en la ecuación (1) se obtiene la glucosa y fructosa, por eso se obtienen dos moléculas, que al ser mezclada la glucosa con la levadura Saccharomyces Cerevisiae (levadura de cerveza), “esta se encarga de la hidrólisis de la sacarosa en glucosa y fructosa, dos hexosas fácilmente asimilables [8]” y se obtiene el etanol. C 6 H 12 O 6 + S. Cerivisiae = 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 (2) Glucosa Etanol Además del proceso de fermentación, se debe tener en cuenta el proceso de destilación posterior a la fermentación, en el que “el objetivo consiste básicamente en separar etanol del agua. Luego de realizar el proceso de destilación se debe tomar en consideración la rectificación, sin embargo, ese proceso se asocia a altos costes de producción. En cuanto a la fermentación, “el efecto del pretratamiento y la hidrólisis posterior es una solución de azúcares fermentables que contienen principalmente glucosa, así como pentosas resultantes de la hidrólisis [8]”. Entre sus usos se encuentran: “es un líquido incoloro y volátil que está presente en bebidas fermentadas, se puede usar con fines culinarios, en el sector industrial y en el sector farmacéutico, es un buen disolvente y puede usarse como anticongelante, para síntesis de diversos productos y combustible industrial y doméstico [7]”. El bioetanol se puede emplear “para sustituir total o parcialmente a las gasolinas utilizadas en los motores de encendido provocado, también conocidos como motores de ciclo diésel [8]”. Además, de reducir la contaminación ambiental, las ventajas de utilizar estos mecanismos para la obtención de etanol son las bajas emisiones de gases contaminantes. Las estadísticas de uso en el país se muestran a continuación:
cereales como el trigo y el maíz. Se usa principalmente en la generación de energía eléctrica o térmica [20][21]. En el desarrollo de este proyecto se llevará toda la atención a las biomasas de desecho de tipo agrícola y agroindustrial que sirven para la generación de bioetanol, teniendo como principales residuos de estudio cinco desechos orgánicos seleccionadas por el grupo: el mucílago de cacao, la cáscara de café, cáscara de uva, cáscara de mango y el rastrojo de maíz, los cuales son productos con los que se han elaborado proyectos para la obtención de etanol que fueron investigados para este avance [22] [23] [24] [25], además de la cáscara de banano y el almidón de la yuca [26], sin embargo, eventualmente se seleccionará una de estas posibilidades que sea la materia prima más adecuada para el presente proyecto. Por último, se investiga acerca del concepto de reactor químico que es un dispositivo o recipiente dentro del que ocurre una reacción química, entendiendo esto último como el proceso en el que ciertas sustancias se transforman en otras, por su parte el término “bioquímico” hace referencia a que este proceso es biológico. Existe un término similar que involucra ambos aspectos, este es el biorreactor, el cual es un sistema que mantiene las condiciones ambientales pertinentes para el cultivo de un organismo, controlando los factores que intervienen en el proceso, por ejemplo, la temperatura. De esta forma, es posible considerar que el término que mejor se adapta a la realización del proyecto es biorreactor. Para la producción de etanol, según el libro de Ingeniería Bioquímica [27], se debe tener: un microorganismo adecuado para el proceso, un sustrato y un ambiente adecuado para la fermentación del producto, el cual sería el reactor que se va a desarrollar en este proyecto. El proceso de producción de etanol, comienza cuando se establecen las condiciones adecuadas en el ambiente del reactor, en donde se deposita la biomasa de desecho preparada (que contiene metales, vitaminas, C, H, O, N, S, P) y los microorganismos (levaduras, bacterias, hongos, tejido celular), con condiciones adecuadas. Al final se genera una cantidad mayor de microorganismos que la inicial y varios resultantes del proceso como antibióticos, enzimas, ácidos orgánicos, alcoholes (como el etanol) [27]. En los procesos de fermentación es importante controlar las variables para optimizar el resultado, el fin principal será obtener la máxima cantidad de células, sin generar una gran emisión de CO2, así que desde el punto de vista de la electrónica se podrían implementar circuitos de monitoreo de la variable CO2 (dióxido de carbono) por ejemplo se podría usar el sensor MQ135 el cual puede detectar NH3, NOx, alcohol, benceno, humo,CO2 [28]. Como se dijo anteriormente, en los procesos de fermentación se requiere un lugar o ambiente adecuado, en el que las biomasas de desecho en conjunto con los microorganismos puedan crecer y producir etanol, para el diseño de este ambiente se requiere conocer los diferentes tipos de biorreactores usados para este fin. En términos generales, se deben definir los siguientes elementos: mezclado, tipo de reactor, consumo de energía y transferencia de oxígeno, en un nivel adecuado dependiendo de la fermentación que se quiera realizar, con las limitaciones del equipo disponible o las condiciones económicas dispuestas para el proyecto [29]. Existen diferentes tipos de biorreactores, directamente relacionados con la escala en la cual se aplican, por ejemplo, en una planta piloto hay muchas variedades, a diferencia de la escala industrial en donde existen 4 tipos: Waldohf, el de turbina, la columna burbujeadora y el airlift [6], sin embargo, esta sería una escala que no es adecuada para este proyecto por esto se evaluó otro tipo de reactores de laboratorio y planta piloto, investigados en [30][31]. Biorreactor semi-continuo Fed-Batch: Es un biorreactor bastante eficiente, porque se mantiene un flujo continuo de nutrientes al ambiente y se controla la cantidad de sustrato mientras que no sale nada del sistema, no se retira el producto, se añadiría periódicamente el sustrato o en este caso la biomasa de desecho para que la fermentación aumente, haciéndola muy productiva generando en el producto final, con el microorganismo y sustrato adecuado, etanol en un porcentaje pero se tendría un sistema con fases medias que complicaría el proceso. Biorreactor continuo: A diferencia del semi-continuo en este tipo sí se retira continuamente producto, mientras se añaden nutrientes, buscando un equilibrio en el sistema en donde se genere un ambiente propicio para la producción de las sustancias y los productos deseados, en el caso de este proyecto se obtendría un producto con muy poca cantidad porcentual de etanol por muestra, lo cual no es conveniente, porque podría ser tan baja que pasaría inadvertida. Biorreactor discontinuo tipo Batch: Es uno de los tipos de biorreactor más usados debido a que se implanta el microorganismo en conjunto con el sustrato que se va a procesar, sin intervención directa en la cantidad inicial de la población de bacterias y sin sacar nada del medio, se modulan únicamente las condiciones ambientales del biorreactor (la temperatura, la velocidad de agitación, la humedad y el pH), obteniendo así un modelo sencillo que se puede implementar sin grandes complicaciones, del que se obtendría igualmente etanol como en los anteriores, debido a que no habría intervención en el sistema y no habría que buscar un equilibrio como en el biorreactor continuo. Con estos modelos de biorreactores se generan diferentes aplicaciones como la relacionada con el proyecto [2], en donde se implementa un biorreactor de flujo continuo porque se adecúa al sistema de control de las variables del biorreactor, que requiere un monitoreo constante del producto que se está obteniendo, lo cual produciría etanol por muestra en el producto final que sería menor que con un tipo batch, pero se
gana un gran control sobre la producción del mismo, a diferencia del proyecto [32] en donde se hace una comparación entre el biorreactor de semi-flujo y el reactor tipo batch, con una biomasa que es el aceite de palma, la cual es procesada y se determina que el biorreactor de flujo es más eficiente pero se obtiene menor cantidad calórica en el resultado, haciendo al reactor de tipo batch un reactor con mayor cantidad teórica de calorías, por ende una mayor cantidad de producto útil al final. REFERENCIAS [1] H.J. Vásquez y O. Dacosta., “Fermentación alcohólica: Una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas”, 2007. [En línea] Disponible en: http:// www.scielo.org.mx/pdf/iit/v8n4/v8n4a4.pdf. [2] C.A. Contreras y M. C. Del Campo., “PRODUCTOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA; UN BENEFICIO PARA LA SALUD”, 2014. [En línea] Disponible en: http://bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/2613/1/Fer mentaci%C3%B3n%20alcoh%C3%B3lica%20un %20proceso_Carlos%20Contreras_USBCTG_2015.pdf. [3] A. C. Treysi y C. B, Laura., “Influencia de la temperatura y pH en la fermentación de azúcares hidrolizados para la obtención de etanol a partir de la cáscara de café”, 2018. [En línea] Disponible en: http://dspace.unitru.edu.pe/handle/UNITRU/10522. [4] Martinez-Garcia, R; Garcia-Martinez, T; Puig-Pujol, A; Mauricio, JC; Moreno, J., "Changes in sparkling wine aroma during the second fermentation under CO 2 pressure in sealed bottle", 2017. [En línea] Disponible en: https://www.lasexta.com/tecnologia-tecnoxplora/sinc/com o-influye-presion-co2-aroma- vino_201802225a8eb49b0cf299ee8ec2ba24.html. [5] Jardín Botánico de Sóller, “Control de la temperatura, la humedad y la ventilación”, 2015. [En línea] Disponible en: http://www.jardibotanicdesoller.org/es/jbs.php/horticultura_y_ jardineria/como_hacer_compost/control. [6] P. Barrientos Felipa, “Los biocombustibles y la producción de etanol,” Pensam. Crítico, vol. 9, p. 115, 2018. [7] A. Patrón and A. Rodríguez, “Diseño De Un Bioreactor Para La Producción De Bioetanol a Partir De Desechos Orgánicos a Escala De Laboratorio,” Univ. Autónoma del Caribe-Barranquilla, p. 72, 2014. [8] E. En and E. L. Marco, “Pretratamiento de biomasa celulósica para la obtención de etanol en el marco de una biorrefinería” 2010. [9] C. C. Denardin et al., “Simulación de los procesos de obtención de etanol a partir de caña de azúcar y maíz,” Sci. Tech., vol. 39, no. 28, pp. 945–954, 2005. [10] L. O. Cholota Palate and O. L. Mora Ruiz, “Diseño, construcción y pruebas de un sistema prototipo para la producción etanol a partir de papa, zanahoria, remolacha y lactosuero,” 2010. [11] Fedebiocombustibles. “Gráfica: Distribución del porcentaje de mezcla de alcohol carburante (etanol) en el territorio nacional.” [En línea]. Disponible en: http://www.fedebiocombustibles.com/v3/estadistica- exportar_info-tipo-Alcohol_Carburante_(Etanol).htm. [12] Fedebiocombustibles. “Gráfica: Demanda nacional de alcohol carburante.” [En línea] Disponible en: http://www.fedebiocombustibles.com/v3/estadistica- produccion-titulo-Alcohol_Carburante_(Etanol).htm. [13] L. Meng, Ethanol in Automotive Applications. Elsevier Inc., 2018. [14] K. S. D. G. G. et al. Joubert, “Diseño de una planta piloto para la producción de etanol a partir del bagazo de la caña de azúcar,” p. 302, 2006. [15] A. I. De Lucas Hergueras y C. Del Peso Taranco, BIOMASA, BIOCOMBUSTIBLES Y SOSTENIBILIDAD (BLOQUE I), Palencia: TAGRA.CT, 2012. [16] FENERCOM, FENERCOM sitio web, 2002. [En línea] Disponible en: https://www.fenercom.com/pdf/aula/recorrido- de-la-energia-biomasa.pdf. [17] RBA AMBIENTAL, 2019. [En línea] Disponible en: http://www.rba-ambiental.com.ar/bioenergia/que-es-la- bioenergia/. [18] Plantas de biomasa, plantasdebiomasa.net, 2019. [En línea] Disponible en: http://www.plantasdebiomasa.net/biodies.html. [19] Red Agrícola, redagricola.com, 2017. [En línea] Disponible en: http://www.redagricola.com/cl/lo-basico- entender-biogas/. [20] Ecología verde, ecologiaverde.com, 2018. [En línea] Disponible en: https://www.ecologiaverde.com/que-es-el- bioetanol-y-para-que-sirve-1147.html. [21] PCE INSTUMENTES, PCE INSTUMENTES WEB SITE, [En línea] Disponible en: https://www.pce- instruments.com/espanol/sistemas-regulacion-control/ sensorica/sensor-humedad-kat_158678.htm. [22] B. Mónica, “Bebidas fermentadas a partir de maíz y arroz: elaboración, control y conservación”, Vol 22, No 31 (2014), Revista Alimentos Hoy - 103, 2014. [23] E. Patricio and P. Price, “El Proceso De Vinificación.,” pp. 1–74, 2008.
