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1 Introducción
Hoy en día la sustitución de combustibles líquidos provenientes de fuentes
fósiles en motores de combustión por aquellos provenientes de recursos
renovables, es un hecho en pleno desarrollo a nivel mundial, gracias al aumento
de la demanda de energía, la escasez de petróleo y el impacto de éste en el
calentamiento global. En los últimos años, en México se ha destacado la
urgencia de realizar reformas estructurales que permitan un mayor desarrollo
para enfrentar las necesidades que la globalización y la economía traen consigo.
El sector energético es uno de los campos en los que se resalta la importancia
de efectuar cambios y mejoras [1].
Combustibles producidos con materias primas renovables como el etanol
están siendo considerados como una alternativa para reemplazar la gasolina,
debido a que promete ciertas ventajas ambientales en el ámbito de la emisión de
gases efecto invernadero (GEI).
1.1 Etanol
El etanol es un combustible del alto rendimiento en motores de combustión
interna. Es un líquido, que ofrece grandes ventajas en términos de almacenaje,
entrega, y compatibilidad infraestructural. No obstante con ser una importante
materia prima para la industria (química, farmacéutica, agroalimentaria, etc.),
juega un papel muy importante en la preparación de carburantes para vehículos
automotores. El etanol como combustible aumenta el índice de octano, por lo
tanto, se reduce su consumo y las emisiones de monóxido de carbono e
hidrocarburos de un 10 al 15% [1].
1-1
1.1.1 Definición de bioetanol
El bioetanol se define como el etanol producido a partir de la fermentación
de materias primas ricas en carbohidratos (azúcar, almidón, celulosa, etc.). Entre
estas materias primas se encuentran las frutas, vegetales, cereales, tubérculos y
en general, materias primas provenientes de lignocelulosas o de residuos
orgánicos [1].
1.1.2 Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol
El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor
picante. También se conoce como alcohol etílico y sus vapores son más
pesados que el aire.
Figura 1-1: Formula estructural del etanol.
Gracias a sus propiedades el etanol se utiliza industrialmente para la
obtención de acetaldehído, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa,
entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos, plásticos,
lacas,
perfumes,
cosméticos,
etc.
También
se
utiliza
en
mezclas
anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia
prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y patológicos
[2]. Las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol se encuentran
compiladas en la Tabla 1-I.
1-2
Tabla 1-I: Propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del etanol.
Propiedad
Formula
C2H6O, CH3CH2OH
Peso molecular
46.07 g/mol
Composición
C: 52.24%; H: 13.13% y O: 34.73% (% mol)
Estado de agregación
Liquida
Color
Incoloro
Punto de ebullición
78.3ºC
Punto de fusión
-130ºC
Índice de refracción (a 20ºC)
1.361
Densidad
0.7893 a 20ºC.
Presión de vapor
59 mm de Hg a 20ºC
Densidad de vapor
1.59 g /mL
Temperatura de ignición
363ºC
Punto de inflamación (Flash
Point)
12ºC ( al 100%), 17ºC (al 96%), 20ºC (al 80%), 21ºC (al 70%), 22ºC
(al 60%), 24ºC (al 50%), 26ºC (al 40%), 29ºC (al 30%), 36ºC (al 20%)
y 49ºC (al 10%)
Límites de explosividad
3.3 - 19%
Punto de congelación
-114.1ºC
Calor específico (J/gºC)
2.42 (a 20ºC)
Temperatura de autoignición
793ºC
Conductividad térmica (W/mK)
0.17 (a 20ºC)
Momento dipolar
1.699 debyes
Constante dieléctrica
25.7 (a 20ºC)
Solubilidad
Miscible con agua en todas proporciones, éter, metanol,
cloroformo y acetona.
Temperatura crítica
243.1ºC
Presión crítica
63.116 atm
Volumen crítico
0.167 L/mol
Tensión superficial (dina/cm)
231 (a 25ºC)
Viscosidad (cP)
1.17 (a 20ºC)
Calor de vaporización en el
punto normal de ebullición (J/g)
839.31
Calor de combustión (J/g)
29677.69 (a 25ºC)
Calor de fusión (J/g)
104.6
Acidez (pKa)
15.9
Fuente: [2]
1-3
1.2 Procesos de obtención de etanol
El etanol se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico
concentrado y sometiéndolo a una posterior hidrólisis, pero de una manera
natural, es obtenido a través de fermentación, por medio de levaduras a partir de
materias primas que son ricas en carbohidratos [2]. Las principales materias
primas para la producción de etanol son aquellas que contengan un alto
contenido de sacarosa, almidón o celulosa. La fermentación alcohólica es un
proceso bioquímico que permite convertir azúcares en alcohol y dióxido de
carbono. La conversión se representa mediante la reacción:
𝐶6 𝐻12 𝑂6
𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎
𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎
2𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻
𝐸𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙
+
2𝐶𝑂2
𝐷𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜
(1)
Las principales responsables de esta transformación son las levaduras.
La levadura fermentará el azúcar en alcohol y dióxido de carbono solo en la
ausencia de aire, pero necesita oxigeno para crecer. Ésta produce alcohol etílico
y dióxido de carbono de azucares simples como la glucosa y la fructosa.
Saccharomyces cerevisiae, es la especie de levadura usada con más
frecuencia. En condiciones donde exista un exceso de oxigeno el alcohol puede
ser oxidado y convertido en acido acético. Es por esto que durante el proceso de
fermentación es necesario montar una trampa de agua en el sistema, para evitar
la entrada de oxigeno, y poder monitorear el comportamiento de las levaduras.
El producto de la fermentación, se somete a un proceso de purificación.
Para poder utilizar el etanol como combustible mezclándolo con gasolina, es
necesario eliminar el agua hasta alcanzar una pureza del 99.5 al 99.9% v/v.
Tradicionalmente, la separación del sistema etanol-agua se hace con destilación
azeotrópica, usando benceno, pentano o dietil éter como solvente, o mediante
destilación extractiva empleando etilenglicol o gasolina [3].
1-4
1.2.1 Métodos más comunes
Los métodos más comunes para la producción de bioetanol son divididos
en bases comerciales y por dos vías tecnológicas, utilizando materias primas
dulces, directamente fermentables, como la caña de azúcar y la remolacha
azucarera, o materias primas amiláceas, como el maíz y el trigo, cuyo almidón
debe ser convertido en azúcar (sacarificado) antes de la fermentación, como se
esquematiza en la Figura 1-2.
Biomasa
azucarada
(caña,
remolacha)
Extracción por
presión o difusión
Biomasa
amilácea
(maíz, trigo)
Biomasa
celulósica
(pasto, bagazo)
Trituración
Trituración
Hidrólisis
enzimática
Hidrólisis ácida y/o
enzimática
Solución azucarada fermentable
Fermentación
Destilación
Bioetanol
Figura 1-2: Vías tecnológicas para la producción de etanol [4].
Una tercera vía, es utilizando la biomasa disponible en materiales como el
bagazo y la paja, hidrolizando las cadenas celulósicas por medios enzimáticos y
produciendo una solución fermentable de azúcares, presentando gran interés
gracias al bajo costo de la materia prima [4]. La alternativa de emplear residuos
lignocelulósicos en la producción de etanol, constituye hoy día una posibilidad
altamente prometedora por su amplia disponibilidad en el mundo. La existencia
1-5
en diversos países latinoamericanos de abundantes recursos lignocelulósicos,
justifica la dedicación por estas naciones por desarrollar y adaptar tecnologías
que tiendan a utilizarlos integralmente [5].
1.3 Etanol como combustible
El etanol puede utilizarse como combustible, puro o mezclado con gasolina
en cantidades variables para reducir el consumo de derivados del petróleo y
disminuir las emisiones GEI a la atmosfera, en la Tabla 1-II se pueden apreciar
los porcentajes de reducción de estas emisiones para etanol producido con
diferentes materias primas, así como la relación energética, es decir la relación
entre la energía producida y la demanda de energía directa e indirecta para
producir tal energía. El porcentaje de emisiones evitadas es una comparación
con las emisiones de GEI a la atmosfera por la gasolina.
Tabla 1-II: Diferentes materias primas para la producción de bioetanol.
Materia Prima
Caña
Relación de energía
9.3
Emisiones evitadas
89%
Maíz
0.6 – 2.0
-30%
Trigo
0.97 – 1.11
19-47%
Remolacha
1.2 – 1.8
35-56%
Mandioca
1.6 – 1-7
63%
Residuos lignocelulósicos
8.3 – 8.4
66-73%
Fuente: [4]
La flexibilidad de este combustible radica en que puede ser utilizado en
vehículos con motores de combustión interna no modificados (los cuales están
garantizados para utilizarse con mezclas bajas de etanol), motores flexibles de
combustión interna (capaces de usar etanol, metanol, y gasolina en cualquier
proporción), motores encendidos por compresión, motores de combustión
1-6
interna especializados (optimizados para aprovechar
las características
particulares de los alcoholes), y celdas de combustible [6].
Una aplicación importante del etanol, es su uso como aditamento para
oxigenar la gasolina estándar, como reemplazo para el metil ter-butil éter
(MTBE), el cual es un producto con el que se reformula la gasolina, permitiendo
reducir las emisiones de CO2. Esta acción es muy importante ya que el MTBE,
siendo un compuesto estable, de baja degradación y soluble en agua, se
convirtió en un contaminante de aguas subterráneas, y a su vez, es clasificado
como un potencial carcinógeno [1].
1.3.1 Diferentes mezclas utilizadas
El etanol se puede utilizar como combustible de motor en varias formas:
mezclas de bajo nivel (≤ al 22% v/v de etanol en gasolina), mezclas de alto nivel
(≥ al 85% v/v de etanol en gasolina), puro (sin ninguna fracción de gasolina pero
generalmente conteniendo agua en cantidades ≤ al 20% v/v) [6]. En la Tabla 1-III
se presentan los diferentes tipos de mezclas usadas como combustibles.
1.3.2 Comparación entre etanol y gasolina
Los combustibles fósiles son no renovables; su producción y uso dan
lugar a una gran cantidad de emisiones de GEI. Sin embargo, la gasolina es
atractiva con respecto a su precio, disponibilidad, la facilidad de uso, sus
propiedades como combustible (ver Tabla 1-IV y Tabla 1-V), el funcionamiento
del vehículo y el hecho de que es apoyada por la infraestructura actual.
1-7
Tabla 1-III: Tipos de mezclas combustibles que incluyen etanol.
Combustible
Descripción
Mezclas de hasta un 5% de etanol en gasolina sin modificaciones en el
motor ni aviso a los usuarios.
Mezclas blandas de gasolina con 5 a 20% de etanol (E5 a E20). Tienen
Gasolinas oxigenadas
un efecto positivo en la combustión y reduce emisiones de CO 2 no
siendo necesaria la modificación de motores.
Mezclas de gasolina con un 85% de etanol. Se precisan modificaciones
en motores ajustando el sistema de encendido.
Mezclas de hasta 10% (E10) de etanol en gasolina: sistema
convencional de motor de gasolina con ligeras adaptaciones.
Gasohol
Mezclas de alto contenido de etanol donde es necesario usar motores
adaptados.
ETBE (Etil terbutil éter)
E100/E95
Producto muy similar a la gasolina y producible en plantas donde se
produce MTBE.
Etanol casi puro deshidratado o hidratado respectivamente.
Fuente: [7]
Tabla 1-IV: Propiedades del desempeño de etanol y gasolina.
Propiedad
Contenido
energético
Calor de
vaporización
Temperatura
mínima de flama
Volumen relativo
de productos de
combustión
Número de
octano
Valor
relativo de
etanol a
gasolina
0.65-0.69
2.3
0.976
1.07
1.15
Impacto cualitativo
Menos kilómetros por
litro.
Mayor cantidad de aire
entra al cilindro.
Incrementa potencia.
Disminuye requerimientos
de enfriamiento
Mayor eficiencia en
motores especiales.
Incremento en el trabajo
disponible por la
expansión de los gases.
Permite incrementar el
factor de compresión y
por lo tanto mayor
potencia y eficiencia.
Impacto en la
eficiencia
térmica (%)
-0.9
No
determinado
No
determinado
7
6 a 10
Fuente: [6]
1-8
Tabla 1-V: Comparación entre propiedades de etanol y gasolina.
Propiedad
Gravedad especifica
Etanol
0.77
Gasolina
0.72
Densidad Energética
20000 MJ*/L
32200 MJ/L
27.4 MJ/kg
44.7 MJ/kg
Entalpía menor de combustión
*Megajoule
Fuente: [8]
Contrariamente el etanol es producido a partir de fuentes renovables. Si el
combustible y la materia prima utilizados para la producción del etanol, son
producidos usando combustibles renovables, la producción y la combustión de
éstos resultara libre de emisiones netas de CO2. El carbono liberado como CO2
en la combustión será reutilizado durante el crecimiento de la materia prima para
la producción de etanol (plantas, por medio de la fotosíntesis); reduciendo las
emisiones de GEI [9]. En la Tabla 1-VI se puede observar un resumen de las
ventajas y desventajas de utilizar etanol como combustible.
1.3.3 Energía necesaria para producir etanol y gasolina
Para algunos combustibles existe una buena correlación entre el
consumo de energía requerido para la producción del combustible y la cantidad
de emisiones de GEI. Los biocombustibles son diferentes, ya que una parte
substancial del ciclo de vida de éstos no está relacionada con el uso de energía
(por ejemplo, el tiempo de cultivo de la materia prima), pero casi todo el CO 2 que
se emite a la atmosfera cuando éste es quemado, las plantas lo utilizaran de
nuevo para crecer. En la Tabla 1-VII se presenta la intensidad energética del
ciclo de vida de la gasolina y el etanol producido a partir de celulosa y maíz, el
objetivo de esta tabla es comparar la relación energética que existe en cada una
de las etapas para la producción de estos combustibles. Como se puede
observar el valor más alto de intensidad energética lo tiene el etanol producido a
partir de celulosa pero cabe mencionar que los procesos de producción de
1-9
etanol a partir de esta materia prima en la actualidad siguen en desarrollo para
lograr optimizar estas cifras.
Tabla 1-VI: Ventajas y desventajas del uso del etanol como combustible.
Ventajas
Desventajas
Reducción de emisiones de NOx, CO y HC
Menor poder calorífico que la gasolina
Aumento del octanaje de las gasolinas
Pérdida de potencia del motor
Creación
de
nuevos
mercados
para
productos agrícolas
Problemas por evaporación en altitud y a elevadas
temperaturas
Dificultades de arranque en frío
Incremento de la corrosión en algunas partes
metálicas
Mayor costo que los combustibles fósiles
Fuente: [7]
Tabla 1-VII: Intensidad energética del ciclo de vida de la gasolina y etanol.*
Combustible
Gasolina
Etanol
Etanol
Materia Prima
Dispensación del combustible
petróleo
0.0018
madera/pasto
0.0028
Maíz
0.0028
Distribución del combustible
0.0073
0.0150
0.0135
Producción del combustible
0.1520
2.1231
0.5095
Transmisión de materia prima
0.0111
0.0194
0.0285
Recuperación de materia prima
0.0484
0.0402
0.0849
NA
0.0789
0.1888
0.2206
2.2794
0.8280
Manufactura de agregados químicos
(pesticidas)
Total de energía requerida
*MJ invertidos/MJ producidos
Fuente: [8]
En la Figura 1-3 se presenta una gráfica comparativa del consumo de
energía no renovable para la elaboración de E85 (85% etanol) a partir de
diferentes materias primas. Las cifras representan la cantidad de MJ (megajoule)
de energía no renovable utilizada para la producción de gasolina o etanol que
deberá ser suministrada a un automóvil para que éste recorra un km de
1-10
distancia. La energía no renovable necesaria para producir gasolina es mucho
mayor que la necesaria para producir etanol independientemente de la materia
prima de la cual provenga, como se aprecia al comparar los 3.63 MJ de energía
no renovable/km necesarios para producir gasolina con energía requerida para
producir etanol a partir de maíz, pastos y arboles.
Figura 1-3: Consumo de energía no renovable para la elaboración de E85 [9].
1.3.4 Emisión de GEI en la producción de etanol y gasolina
El impacto del bioetanol en la producción de GEI es muy significativo ya
que el sector de transportación es el mayor contribuyente a la emisión de éstos,
ocupando un tercio de la cantidad total de gases emitida.
La más grande
ventaja que se le atribuye al bioetanol es su baja emisión de GEI, sobre todo
1-11
cuando es comparado con las emisiones de otros combustibles utilizados en
transportación. Esto se debe principalmente a que la materia no fermentable y
los residuos sólidos resultantes del proceso de obtención del etanol, pueden ser
quemados o gasificados para proveer todo el calor y la energía necesaria para la
producción del mismo [10].
Figura 1-4: Emisiones totales de GEI en diferentes mezclas de etanol [9].
En la Figura 1-4 se puede observar que por cada kilómetro recorrido
usando combustibles E10, E85 y E100, el total de emisiones de GEI baja 17.25,
200.23 y 254.13 g de CO2/km respectivamente. En el caso del combustible E100
hay una reducción de 106% en comparación con los gases emitidos cuando un
vehículo recorre 1 km usando gasolina como combustible [9].
El ciclo de vida de emisiones de GEI en g de CO2 por km recorrido en un
automóvil que utiliza E85 es menor en un 57% que aquellos que utilizan gasolina
como se puede observar en la Figura 1-5. La mayoría de las emisiones en los
1-12
dos casos corresponde al CO2. Las emisiones asociadas con el combustible E85
están relacionadas en su mayoría con la producción y la combustión de la
fracción que corresponde a la gasolina en la mezcla del combustible, el uso de
fertilizantes y herbicidas durante el crecimiento de la cosecha, de las actividades
agrícolas y del transporte. Las emisiones de GEI asociadas con la gasolina se
deben a la combustión y al desprendimiento de carbono, el cual aumenta la
concentración de CO2 en la atmosfera.
Figura 1-5: Ciclo de vida de emisiones de GEI en automóviles [11].
1.4 Materias primas de las cuales se ha obtenido etanol
Existen una gran variedad de materias primas con las cuales se ha
producido etanol, ya sea industrial o experimentalmente. El primer programa
masivo de energías renovables a nivel mundial de producción de bioetanol a
1-13
partir de caña de azúcar, se inició en Brasil en 1975. Programas similares se han
iniciado en Austria, Canadá, Francia, Alemania, España, Suecia y Estados
Unidos [1]. En este último el 95% del bioetanol se obtiene a partir del maíz el
resto es producto de la fermentación de trigo, cebada, sorgo, suero del queso, y
residuos de bebidas, y en Francia a partir de remolacha y trigo [12].
El hecho de que se utilicen las materias primas antes mencionadas pone
en riesgo el abastecimiento de productos alimenticios. Si se desean aprovechar
las ventajas ambientales del etanol producido a partir de biomasa es necesario
encontrar materias primas que no comprometan el abastecimiento de alimentos
a la humanidad.
Tabla 1-VIII: Plantas productoras de etanol a partir de celulosa.
Localización
Ottawa, Canadá
Materia prima
Pedacería de madera
Ottawa, Canadá
Paja de trigo
Muscle Shoals, AL, EUA
Madera
Fayetteville, AR, EUA
Madera blanda y corteza
Golden,CO, EUA
Desechos de maíz
Aberdeen, MS, EUA
Residuos de madera y paja de arroz
Izumi, Japón
Pedacería de madera
Pirassununga, Brasil
Gabazo
Ichikawa, Chiba, Japón
Residuos de madera
Ornskoldsvik, Suiza
Aserrín
Ft. Lupton, CO, EUA
Desechos de maíz y bagazo
Phoenix, AZ, EUA
Basura municipal
Odense, Dinamarca
Paja de trigo
York, NE, EUA
Desechos de maíz
Ottawa, Canadá
Paja de trigo, avena y cebada
Kauai, HI, EUA
Bagazo y residuos de madera
Jenkins, LA, EUA
Bagazo y cascarilla de arroz
Suiza
Residuos de madera blanda
Fuente: [12]
1-14
El etanol celulósico tiene la ventaja de poder reducir las emisiones netas de
CO2 casi a cero y puede ser derivado de una diversa y extensa fuente de
recursos. Por ejemplo, puede ser producido a partir de diferentes especies de
árboles tales como el álamo híbrido, sauce y arce de plata; residuos de madera
incluyendo virutas y aserrín; desechos de obras de construcción, residuos
municipales, papel y lodo de aguas residuales; residuos de la cosecha del maíz,
residuos del procesamiento del maíz y caña de azúcar; paja de cereales como
trigo, avena, cebada, arroz; y hierbas tales como zacate, sorgo y miscanthus.
Es en esta línea de investigación, que se estudio la obtención de etanol a partir
del zacate buffel.
1.4.1 Buffel
El zacate buffel (Cenchrus ciliaris) es una planta perenne, crece en el
verano y puede llegar a crecer hasta 150 cm de alto. Este zacate soporta desde
climas sub-tropicales hasta regiones cálidas con veranos lluviosos y largas
temporadas de sequía, ya que puede vivir hasta un año sin agua de lluvia y
puede ser sembrado en suelos arenosos.
Tabla 1-IX: Composición química del forraje de zacate buffel.
Componente
Materia orgánica
% en peso de materia seca
84.4

Proteína cruda
10.0

Fibra detergente neutra
74.4
o
Celulosa
35.3
o
Hemicelulosa
31.8
o
Lignina detergente acido
5.3
o
Cenizas insolubles en acido
2.1
Fuente: [13]
1-15
Es originario de África Ecuatorial, Sudáfrica, India e Indonesia.
Primeramente fue introducido a Estados Unidos de América desde Sudáfrica, se
expandió a México en 1954 y después a los demás países americanos. México
siembra anualmente cerca de 200000 hectáreas con esta gramínea y contando
ya con más de 1000000 hectáreas en producción, solamente en el estado de
Sonora [14].
El buffel cuando esta tierno (verde) sirve de alimento para el ganado
bovino y ovino, pero una vez seco este representa un alimento pobre para éstos
animales (ver Tabla 1-IX); siendo en estas condiciones como se estudio el
procesamiento de esta planta para la obtención de bioetanol en el presente
proyecto de tesis.
Figura 1-6: Zacate buffel en el desierto Arizona-Sonora1.
1
Esta fotografía fue tomada de la página web del Museo del Desierto,
http://www.desertmuseum.org/programs/images/Pencil38a.jpg, el día 4 de junio del 2009.
1-16