Apuntes Biocombustibles Cap IV 2016
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4. PRODUCCIÓN DE ETANOL
4.1 Producc ión de Etanol de Azúcar y Almidón
4.1.1 Microorganismos
4.1.1.1 Sacharommyces CereviciaeLa Saccharomyces cerevisiae es la levadura universalmente
utilizada para la producción de etanol a partir de almidón y azúcar. Los
azúcares que son metabolizables por este organismo incluyen
glucosa, fructosa, manosa, galactosa, sacarosa, maltosa y
maltotriosa. La producción de etanol por S. cerevisiae se realiza
cabo a través de la vía glucolítica (también conocido como Embden-
Myerhof-Parnas o vía EMP) (Fig. 4.1). En la forma más simple, la
producción de etanol a partir de glucosa puede ser expresada por la
siguiente ecuación:
C6H12O6 + 2 Pi- + 2 ADP+2H+ → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2
Glucosa → 2 etanol + 2 dióxido de carbono + 2 energía + 2 agua
O
Donde:
Pi: Piruvato (C3H3O3-
ADP: Adenosin Di Fosfato (C
)
10H15N5O10P2
ATP: Adenosin Tri Fosfato (C
)
10H16N5O13P3
)
A partir de la ecuación anterior, el rendimiento teórico es 0.511 g
etanol/gramo de glucosa consumida. Este rendimiento es solo
teórico, ya que parte de la glucosa se utiliza para la síntesis celular de
masa, mantenimiento celular y la producción de subproductos tales
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como glicerol y ácidos acético, láctico y succínico. En condiciones
ideales, sin embargo, se puede obtener un 90-95 % de conversión.
La sacarosa en la caña de azúcar y remolacha azucarera, se hidroliza
a glucosa y fructosa por la enzima invertasa, que se encuentra entre
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la membrana y la pared celular. Estos dos monosacáridos son
tomados por la célula. La fructosa entra en la vía glucolítica a través
de su conversión a fructosa-6-fosfato por la hexoquinasa. Los dos
azúcares obtenidos en hidrólisis del almidón, maltosa y maltotriosa,
pasan intactos a través de la membrana celular y se hidrolizan a
glucosa por el enzima α -glucosidasa. La maltotetraosa y
polisacáridos superiores (dextrinas) no son metabolizados por S.
cerevisiae. La glucosa y la sacarosa son los dos sustratos más
preferidos entre los azúcares metabolizados por S. cerevisiae. Esto
puede tener un efecto negativo en las tasas de fermentación en la
producción de etanol industrial.
La S. cerevisiae requiere ciertos minerales (por ej., Ca, Mg, Mn, Co,
Fe, Cu, K, Na, Zn) para el crecimiento y fermentación, al igual que
algunos compuestos orgánicos. La mayor parte de los nutrientes
requeridos normalmente están disponibles en las materias primas
industriales para producción de etanol. La S. cerevisiae es inhibida
por su propio producto, es decir, el etanol. El etanol aumenta la fluidez
y permeabilidad de la membrana celular y provoca fugas de iones y
metabolitos. La cinética del crecimiento de S. cerevisiae puede
representarse por la siguiente ecuación:
n
S
S
max
og
s
=
(4.1)
Donde µsg y µsog son las velocidades específicas de crecimiento en
presencia y ausencia de una concentración S de etanol, n es una
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potencia que indica el poder tóxico del etanol y Smax
Similarmente la inhibición de la fermentación por el etanol se puede
expresar como:
es la
concentración máxima de etanol que permite crecimiento.
n
S
S
max
ogs
=
(4.2)
Donde f sg y f sog son las velocidades específicas de fermentación en
presencia y ausencia de una concentración S de etanol, n* es la
potencia de toxicidad del etanol y S*max es la concentración máxima
de etanol que permite crecimiento y fermentación. Los valores de n y
n* se pueden determinar a partir de datos experimentales. En la
práctica, los valores de Smax y S*max
La inhibición de etanol en S. cerevisiae puede ser revertida por la
adición del Ca. Sin embargo, la adición de Ca debe ser controlada ya
que proporciones muy altas de Ca:Mg puede afectar negativamente el
crecimiento y la producción de etanol. El ácido acético y ácido
láctico también pueden inhibir el crecimiento de S. cerevisiae, no
obstante raramente alcanzan niveles peligrosos y los efectos sobre el
crecimiento y la producción de etanol son sinérgicos y dependen del
pH. El oxígeno también desempeña un papel importante en el
metabolismo de la S. cerevisiae . La inhibición del crecimiento y la
producción de etanol se reducen bajo condiciones micro-aeróbicas.
La concentración de oxígeno también afecta la síntesis de
son aproximadamente 10 % en
volumen (v/v) y 15 % (v/v), respectivamente.
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subproductos. Esta puede ser tal que inhiba la síntesis de
subproductos pero al mismo tiempo puede hacer aumentar la
producción de masa celular, bajando el rendimiento de etanol. En la
práctica deben mantenerse condiciones apropiadas de aireación para
lograr una producción óptima de etanol.
4.1.1.2 Zymomonas mobilis
A pesar de que no se utiliza comercialmente en la actualidad,
Zymomonas mobili s es considerado el organismo más eficaz para la
producción de etanol. Puede producir etanol a tasas mucho más
rápidas que S. cerevisiae. El aspecto interesante de este organismo
es que metaboliza la sacarosa, glucosa, y fructosa a Piruvato
través de la vía de Entner-Doudoroff (ED), que se utiliza
principalmente por organismos estrictamente aeróbicas tales como
Pseudomonas. El ED se muestra en la Fig. 4.2. La diferencia más
llamativa entre la vía utilizada por Z. mobilis y la utilizada por S.
cerevisiae es la ausencia de la etapa catalizada por la enzima PFK en
la vía de ED la cual es una enzima clave de la glucólisis. La ausencia
de la enzima PFK en Z. mobilis permite desacoplarse del crecimiento
celular para la producción de etanol, por lo que no requiere altas
concentraciones celulares para un alto rendimiento de etanol. Esto
permite obtener eficiencias de conversión cercanas a 97 % de la
teórica. Otras ventajas de Z. mobilis incluyen alta tolerancia al etanol,
y no hay limitaciones de aireación en la fermentación para una óptima
producción de etanol.
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Z. mobilis también posee varias desventajas que han impedido que
su uso para la producción industrial de etanol, debido a la bioquímica
del metabolismo de la sacarosa. Algunas enzimas de Z. mobilis
catalizan la polimerización de la fructuosa para formar subproductos
tales como el levan y sorbitol que afectan el proceso. Tanto S.
cerevisiae y Z. mobilis producen subproductos ácidos orgánicos en
diferentes proporciones. Las proporciones de ácido acético: láctico
normalmente son 16:1 para Z. mobilis y 8:1 para S. cerevisiae. Por lo
tanto, el pH del medio de fermentación para S. cerevisiae puede
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llegar a 3.0 mientras que en el caso de Z. mobilis tiende a
estabilizarse en 4.5. Como el crecimiento de la mayoría de las
posibles bacterias contaminantes es casi completamente inhibido
a pH 3.0 pero no del todo a pH 4.5, los medios de fermentaciónpara Z. mobilis deben ser esterilizados para asegurar un alto
rendimiento de etanol. En la escala industrial esto no es deseable
porque la esterilización de grandes volúmenes aumentará de manera
significativa los costos de operación. Otro factor que favorece el uso
de S. cerevisiae es la conveniencia en el manejo de este organismo el
cual es comercialmente accesible y su manejo solo rehidratación en
un tanque de mezcla con poco control.
4.1.2 Tecnología del Proceso
4.1.2.1 Substratos de Azúcares
Las composiciones del jugo de caña de azúcar y remolacha azucarera
se muestran en la Tabla 4.1. Las características de la melaza de
remolacha y caña se muestran en la Tabla 4.2. Un diagrama de
bloques que describe la operación de dichas instalaciones se muestra
en la Fig. 4.3. El jugo se extrae de la caña de azúcar, ya sea por
prensado o difusión. La melaza, que es un subproducto, también se
utiliza para la producción de etanol. El residuo o bagazo, se quema
para generar energía en la planta de proceso. Antes de ir a los
fermentadores, la solución de azúcar debe pasar por purificación y
pasteurización. La purificación implica el tratamiento con cal (CaO),
calefacción, y decantación.
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La pasteurización consiste en calentamiento y refrigeración
inmediata. El enfriamiento normalmente incluye dos etapas. En la
primera etapa la solución de azúcar caliente se pasa a través de un
intercambiador de calor en contracorriente con la solución fría. Al final
de esta etapa la solución caliente es enfría a aproximadamente 60 °C.En la segunda etapa la solución de azúcar se enfría a 30 °C utilizando
agua como fluido de refrigeración. La concentración de azúcar
normalmente se ajusta a aproximadamente 19° Brix.
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°Brix es una medida cruda del contenido de azúcar de un
producto azucarado. Por definición, es una medida del contenido
de azúcar de un líquido si todos los sólidos disueltos y
suspendidos en el líquido fueran de azúcar.
Como se muestra en la Tabla 4.2, por lo general la melaza de caña
tiene un Brix de aproximadamente 80 ° y contiene alrededor del 46 %
de azúcar en peso. La fermentación puede ser por lotes (batch) o
continua. El proceso continuo con reciclaje celular de levadura fue
desarrollado en la década de 1980 para reemplazar el proceso por
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lotes. Los parámetros típicos de una fermentación batch con reciclaje
celular esquematizada en la Fig. 4.3 se resumen en la Tabla 4.3.
Normalmente antes de regresar al fermentador las células reciclados
se diluyen con agua, y se añade ácido sulfúrico a un pH de 2.5 o
inferior (pH 2) si hay contaminación bacteriana. La levadura puede ser
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reciclada hasta tres veces al día durante un máximo de 200 días. Se
requiere a menudo una fuente de nitrógeno en la fermentación, siendo
la urea (CH4N2
Para remolacha el proceso es muy similar. Se ha demostrado que el
jugo de la remolacha no requiere ajuste de pH o adición de nutrientes.
El modelo de proceso para la producción combinada de azúcar y
etanol combinado de remolacha azucarera se muestra en la Fig. 4.4. y
un típico balance de masa se muestra en la Tabla 4.4.
O) la más utilizada. Una hectárea produce alrededor
de 80-82 TM de caña de azúcar y aproximadamente 7.000 li tros deetanol.
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4.1.2.2 Substratos de Almidón
La tecnología de proceso desarrollada para el maíz se puede adaptar
fácilmente a otros granos, de modo que las plantas de etanol de maíz
necesitan sólo pequeñas modificaciones para otras materias primas de
grano. El etanol se produce a partir del maíz ya sea por molienda
húmeda o seca. Los pasos clave de estos procesos se muestran en la
Fig. 4.5. La principal diferencia entre los dos procesos es que en la
molienda seca todo el maíz se muele y se alimenta al fermentador,
mientras que en el proceso de molienda húmeda los componentes
primero se fraccionan y luego sólo la fracción de almidón es utilizada
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en la fermentación. Debido a la mayor complejidad del proceso, la
molienda húmeda requiere mayor inversión de capital. Ambos
procesos generan una serie de subproductos. Estos subproductos
incluyen sólidos solubles de destilación (DDGS) y dióxido de
carbono en el proceso de molienda en seco, y aceite de maíz,
harina de gluten, alimento de gluten, y dióxido de carbono en el
proceso de molienda húmeda. Las plantas de molienda húmeda
fácilmente se pueden modificar para producir otros productos como jarabes de maíz y jarabe de fructosa, que pueden ser producidos
independiente de la producción de etanol.
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Proceso de Molienda Húmeda
El primer paso en este proceso consiste en remojar los granos de
maíz, previamente limpiados con agua que contiene 0.1 a 0.2 % de
SO2 a 52 °C durante 24 a 40 h. Esto suaviza el kernel y rompe los
enlaces disulfuro en la matriz de proteína del endospermo para liberar
los gránulos de almidón. Otros nutrientes solubles también se liberan,
formando la denominada agua de remojo liviana (LSW). Los granos
suavizados se muelen para romper los kernels y los gérmenes menos
densos son recuperados en un sistema de hidrociclón. Los gérmenes
recuperados reciben tratamiento posterior para eliminar almidón y
gluten y el exceso de agua, luego se secan y almacenan para la
extracción de aceite. Alternativamente, los gérmenes pueden ser
vendidos a trituradoras para la extracción de aceite de maíz. Los
gérmenes gastados se procesan en un producto de alimentación
llamada harina de germen de maíz (CGM). Este producto contiene al
menos 20 % de proteína y 1 % de grasa, y hasta 12 % de fibra por lo
cual se usa en las dietas de rumiantes. Después de la separación de
germen, la suspensión pasa por una molienda intensa, que libera más
el almidón y el gluten de la fibra que queda. La suspensión se tamiza
para eliminar la fibra, que luego se lava y se prensa a
aproximadamente 60 % de humedad. El LSW de la etapa de remojo
se concentra en evaporadores para producir agua de remojo pesada
(HSW). Este producto concentrado rico en nutrientes se seca junto con
la fibra que se venden como alimento de gluten de maíz (CGF) para la
industria ganadera. El CGF contiene aproximadamente 21 % de
proteína. Después de la eliminación de la fibra, el gluten, que es más
liviano, se separa del almidón en una centrífuga. El gluten es entonces
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concentrado 2-3 oz/gal (gluten liviano) a 16-20 oz/gal (gluten pesado)
en una segunda centrífuga. El gluten pesado se enfría a 35 °C y se
filtra para producir una torta de gluten 60 % de humedad. La torta se
seca a 10 % de humedad para producir harina de gluten de maíz
(CGM). Este producto de alimentación contiene al menos 60 % de
proteína y 1 % de grasa, y hasta 3 % de fibra y es utilizado en la
alimentación de aves de corral debido a su alto contenido en proteínas
y xantofila y bajo contenido de fibra. El almidón se lava y se procesa a
través de una serie de hasta 14 hidrociclones para eliminar las
impurezas. El producto final, que posee 99.5 % de almidón puro, se
utiliza para la fermentación de etanol o puede ser tratado
posteriormente para producir almidón modificado, jarabes de maíz
(CS), y jarabes de maíz de alta fructosa (JMAF) en plantas integradas.
La Figura 4.6 muestra el diagrama de flujo simplificado del proceso de
fermentación continua con reciclado de levadura. Para minimizar el
problema de la contaminación, se debe mantener el pH bajo alrededor
de 3.5. Esto implica el uso de fermentadores de acero inoxidable, lo
que contribuye a aumentar el costo de capital.
Proceso de Molienda Seca
Debido a que las plantas de molienda húmeda son complejas e
intensivas en capital, las plantas más nuevas y las pequeñas utilizan el
proceso de molienda seca. El proceso se inicia mediante la adición de
agua de proceso a los granos molidos de maíz, ajustando el pH a
aproximadamente 6.0, y la adición de una la enzima termoestable α-
amilasa. El siguiente paso es la licuefacción de almidón.
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La suspensión primero se calienta a de 60-90 ° C y a medida que la
temperatura aumenta, los gránulos de almidón se hinchan y
gelatinizan. La hinchazón y la hidratación de los gránulos de almidón
causan gran aumento de la viscosidad de la suspensión y la pérdida
de cristalinidad de las estructuras granulares. Este paso de
preliquefacción dura aproximadamente 30-45 min. En la siguiente
etapa de licuefacción, normalmente se practican tres procesos:
Proceso 1. Se añade toda la dosis de enzima requerida inicialmente y
la suspensión se calienta a 85-95 ° C, y luego se mantiene a esa
temperatura hasta que se logra un DE (Dextrosa Equivalente) de 15.
DE o equivalente de dextrosa es una medida de la efectividad de
hidrólisis de almidón. Representa el porcentaje de los enlaces
glicosídicos hidrolizados respecto al número total de enlaces
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glicosídicos iniciales. Por lo tanto, la glucosa tiene un DE de 100,
la maltosa tiene un DE de 50 y el almidón tiene un DE de
prácticamente cero.
Proceso 2. La suspensión es forzada a través de un cocedor en
chorro a 110-120 °C durante 5 a 7 min. En algunas plantas esta
temperatura es de 140-150 ° C. Luego la suspensión se descarga en
un tanque de evaporación instantánea a presión atmosférica y se
mantiene a 90 °C durante 3 horas. En este proceso, parte de la
enzima se añade inicialmente y el resto se añade al tanque de
evaporación.
Proceso 3. La mitad de la dosis de enzima se añade inicialmente y la
suspensión se calienta a 150 ° C mediante inyección de vapor directo
por un período corto para gelatinizar el almidón. La suspensión luego
se enfría a 85-95 ° C mediante evaporación y se añade el resto de la
enzima requerida. Al final de la licuefacción, el almidón se hidroliza en
dextrinas de cadena corta.
Después de la licuefacción, la suspensión se enfría a 32 ° C y su pH
se ajusta a 4.5. A continuación se agrega la glucoamilasa y el
macerado se transfiere al fermentador, donde se añade la levadura y a
menudo urea como fuente de nitrógeno. El proceso simultaneo de
sacarificación y fermentación se conoce con el nombre de SSF. En el
fermentador las dextrinas son hidrolizadas por glucoamilasa a
glucosa, que inmediatamente es absorbida por la levadura y se
fermenta a etanol y dióxido de carbono. El SSF es un proceso batch
en que el macerado se deja fermentar durante aproximadamente 50-
60 h. Al final de este período, se obtiene una concentración de etanol
de 15 % en volumen. La figura 4.7 es un diagrama de flujo simplificado
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del proceso de una planta típica de fermentación de etanol de
molienda en seca, que incluye la propagación de levadura y
sacarificación y fermentación simultánea (SSF).
En la molienda en seca, la sacarificación, que es la principal fuente de
contaminación, no se realiza externamente como en el proceso de
molienda en húmeda. Al reducirse el riesgo de contaminación, el
proceso no requiere un pH bajo. El pH se puede mantener a 4.5. Por
tanto, los fermentadores pueden ser de acero al carbono en lugar de
acero inoxidable, lo que reduce los costos de capital. Este proceso
genera dos subproductos, CO2 y grano de destilería seco con solubles
(DDGS). La vinaza (stillage) obtenida en la parte inferior de las
columnas de destilación contiene aceite, sólidos no fermentables
(fibra y proteínas), y la levadura. Se utilizan prensas y centrífugas
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para separar esta corriente en un líquido llamado vinaza delgado y una
papilla llamada grano húmedo de destiladores (WDG). Entre el 15 y 30
% de la vinaza delgada se recicla al tanque de purines como agua de
relleno para reducir el uso de agua. Lo restante se concentra en
evaporadores de múltiple efecto en un jarabe que contiene 20-25 %
de sólidos. El jarabe se mezcla con el WDG para producir un alimento
de ganado llamados grano húmedo de destilería con solubles
(WDGS). Para reducir los costos de transporte, el WGDS se seca
hasta 10-12 % de humedad para producir DDGS. El secado de WDGS
para producir DDGS es muy intensivo en energía. El proceso puede
consumir hasta un tercio del gasto total de energía de toda la planta.
Rendimiento Teórico de Etanol
La hidrólisis del almidón para producir glucosa se puede expresar por
la siguiente ecuación:
(C6H10O5)n + nH2O → nC 6H12O6
donde, n es el número de residuos de glucosa en la molécula de
almidón. La cantidad de glucosa producida a partir de 1 kg de almidón
es 180n/(162n + 18). Cuando n es 2, como en la maltosa, el factor de
conversión es 1.053. Cuando n se hace muy grande, este factor se
aproxima a 1.111.
(4.3)
La fermentación del etanol utilizando glucosa como sustrato se puede
expresar por la siguiente ecuación:
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C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
Por lo tanto, 1 kg de glucosa producirá 0.511 kg de etanol .
(4.4)
Ejemplo 5.1. Calcular teórico rendimiento de etanol a partir de 1 bu
de maíz (56 lb) que tiene 15 % de humedad y contiene 70 % de
almidón en base seca.
Solución:
Una kg de maíz contiene: 1.0 kg - 0.15 kg = 0.85 kg de sólidos secos.
Contenido de almidón de 1 kg de maíz: 0.70 x 0.85 kg = 0.595 kg
Rendimiento de etanol teórico de 1 kg de maíz es: 0.595 kg x 1.111 ×
0.511 = 0.338 kg de etanol/kg de maíz
La gravedad específica de etanol a 20 °C es de 0.79 kg/L. Por lo tanto,
el volumen de etanol producido a partir de 1 kg de maíz es:
[(0.338 kg ÷ 0.79 (kg/l)] ÷ 3.785 (L/gal) = 0.113 gal
El peso de 1 bu del maíz es de 56 lb.
Por lo tanto, el rendimiento teórico de etanol a partir de 1 bu de maíz
es: 0.113 (gal/kg) x 0.454 (kg/lb)×56 (lb/bu) = 2.87 gal/bu
En la práctica, la cantidad real de etanol producido a partir de 1 bu del
maíz es conocido y la eficiencia global del proceso se puede calcular
fácilmente.
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Ejemplo 5.2. Determinar la eficiencia de la fermentación del etanol
para el maíz del Ejemplo 5.1 (15 % de humedad; 70 % de almidón
base seca). Suponer que el macerado (puré) tiene 30 % de sólidos
totales en base seca y después de 72 h de fermentación, el análisis
por cromatografía líquida de alta presión (HPLC) mostró una
concentración de etanol de 13.1 g/L.
Base: 1 kg de macerado que contiene 300 g de sólidos totales y 700 g
de agua.
El contenido de almidón es: 300 g × 0.70 = 210 g
Producción glucosa por hidrólisis de almidón : 210 g × 1.111 = 233.3 g
Consumo de agua en la hidrólisis de almidón: 210 g × 0.111 = 23.3 g
Producción de etanol teórico: 233.3 g × 0.511 = 119.0 g
Volumen del etanol producido: 119.0 g ÷ 0.79 (g / ml) = 150.8 ml (cm3
)
El volumen total de líquido: 700 ml - 23.3 ml + 150.8 ml = 827.5 ml
Concentración de etanol: 119.0 g / 827.5 ml = 0.144 g/ ml o 14.4 g/L.
Por lo tanto, la eficiencia de la fermentación es:
(13.1/14.4) x 100% = 91.0%.
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Recuperación del Etanol
El etanol de fermentación se recupera por destilación seguida de una
etapa de deshidratación. El etanol y agua forma una mezcla
azeotrópica de 95 % de etanol y 5 % de agua en volumen. Se utilizan
tamices moleculares para la deshidratación de esta mezcla de 95 %
de etanol. Los tamices moleculares son adsorbentes de zeolita
sintéticos que tienen formas cilíndricas o esféricas fabricados a partir
de materiales tales como alumino silicatos de potasio. Estas
partículas adsorbentes tienen un tamaño de poro exacto, lo que les
permite adsorber tamaños moleculares inferiores de una mezcla que
contiene moléculas con un tamaño más grande. Para la
deshidratación de etanol se usa zeolita sintética con un tamaño
de poro de 3 angstroms (A). Dado que las moléculas de agua son
2.8 Å y las moléculas de etanol tienen 4.4 Å, se absorben las
moléculas de agua y se excluyen las moléculas de etanol. Este
proceso se denomina adsorción por oscilación de presión (PSA).
Cada unidad de este proceso consiste en dos columnas
empaquetadas tal como se muestra en la Fig. 4.8. El proceso
comienza en la columna 1 con la alimentación de la mezcla de
fermentación vaporizada con 95 % de etanol. El 95 % de etanol entra
en la parte superior de la primera columna bajo presiones moderadas,
pasa a través de la cama, y abandona por la parte inferior como etanol
anhidro. Cerca del 60-85 % de esta corriente sale del sistema como
producto final. El restante se alimenta a la columna 2 para su
regeneración. La columna 2 se mantiene bajo vacío para permitir que
el agua adsorbida se libere. La corriente de etanol húmedo abandona
7/26/2019 Apuntes Biocombustibles Cap IV 2016
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la parte superior de la columna 2 y se recicla a la columna de
destilación en el punto adecuado.
La columna regenerada luego se usa para deshidratar la corriente de
alimentación de etanol de 95 % durante 3-10 min antes de ser
nuevamente regenerada. El proceso PSA evita el uso de altas
temperaturas durante regeneración y permite extender la vida útil
de los tamices moleculares.