Bioetanol: Concepto y características

Biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la  biomasa- organismos vivos o sus  desechos metabólicos.

El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de caña de azúcar, maíz, sorgo, remolacha o de algunos cereales como  trigo o cebada.
El etanol es un biocombustible a base de alcohol, el cual se obtiene directamente del azúcar. Ciertos cultivos permiten la extracción directa de azúcar, como la caña azucarera (Brasil), la remolacha (Chile) o el maíz (Estados Unidos). Sin embargo, prácticamente cualquier residuo vegetal puede ser transformado en azúcar, lo que implica que otros cultivos también pueden ser utilizados para obtener alcohol. Aunque con la tecnología disponible actualmente este último proceso es muy costoso.

Los principales objetivos de la producción de bioetanol son:


• Preparar mezclas con gasolina en lugar de otros aditivos como el ETBE (Etil terbutil éter) o el  MTBE  (Metil terbutil éter) en proporciones superiores al 5%.
• Usarlo como carburante en mezclas con gasolina hasta un 85%.
• Suministrarlo como materia prima en la producción del ETBE.

El bioetanol se puede producir a base de cualquier biomasa que contenga cantidades significativas de almidones o azúcares. En la actualidad hay un ligero predominio de la producción relacionada con materiales amiláceos (un 53% del total), como el maíz, el trigo y otros cereales y granos. En esos casos, la tecnología de conversión comienza, generalmente, con la selección, la limpieza y la molienda del grano. La molienda puede ser húmeda, cuando el grano está embebido y fraccionado antes de la conversión del almidón en azúcar (vía húmeda), o seca, cuando eso se realiza durante el proceso de conversión (vía seca). En ambos casos, el almidón se convierte en azúcares mediante un proceso enzimático a altas temperaturas. En ese caso, los azúcares liberados son fermentados con levaduras, y el vino resultante sufre destilación para la purificación del bioetanol.

Considerando la producción a base de azúcares, como en el caso de la caña y de la remolacha, el proceso es más sencillo e implica una etapa menos, ya que los azúcares están disponibles en la biomasa. En general, el proceso se basa en la extracción de los azúcares (por medio de la molienda o de la difusión), que pueden seguir directamente hacia la fermentación. Tras la fermentación, se destila el vino, así como en el caso de la producción basada en almidón.

Producción de bioetanol de caña de azúcar

El período de cosecha de la caña varía según el régimen de lluvias, de manera de permitir las operaciones de corte y transporte y de poder alcanzar el mejor punto de maduración y acumulación de azúcares. En la región centro sur de Brasil, la cosecha sucede entre abril y diciembre, mientras que en la región nordeste se realiza de agosto a abril. El sistema tradicional de cosecha, aún utilizado en casi el 70% de las áreas cultivadas con caña de azúcar en Brasil, implica la quema previa del cañaveral y el corte manual de la caña entera. Ese modelo, sin embargo, se está remplazando por la cosecha mecanizada de la caña cruda picada (sin quema), debido a las restricciones ambientales a las prácticas de quema.

Luego del corte, la caña se transporta lo antes posible hacia la planta, a fin de evitar pérdidas de sacarosa. Con excepción de algunas empresas que utilizan el transporte fluvial, el sistema de transporte se basa en camiones, con diversas posibilidades: camión simple, camión doble, tren de carretera, cuyas capacidades de carga varían de 15 a 60 toneladas. Vale la pena mencionar que la logística de la caña, relacionada a todo lo que implican las operaciones de corte, cargamento y transporte, está evolucionando continuamente, con la finalidad de reducir los costos y disminuir el nivel de compactación del suelo.

La caña no se puede almacenar por mucho tiempo una vez cortada y las plantas operan  únicamente durante el período de cosecha, independiente de si producen azúcar o etanol.

Una vez en la planta, la caña se lava (en general, sólo la caña entera) y se pasa al sistema de preparación y extracción, esencialmente, en moliendas.  La extracción del jugo se realiza bajo la presión de cilindros, armados en conjuntos de cuatro a siete sucesivos ternos de molienda. En el conjunto de cilindros de la molienda se separa el jugo, que contiene la sacarosa, de la fibra (bagazo). Dicha fibra sigue hacia la planta de energía de la planta, donde es utilizada como combustible. En algunas nuevas unidades implantadas en Brasil, ha sido adoptada la extracción por difusión, con expectativas de obtener ventajas desde el punto de vista energético. En los difusores la caña picada y desfibrada pasa por sucesivos lavados con agua caliente y desprende sus azúcares por lixiviación.  En la etapa final el producto pasa por un cilindro de secado, de donde sale el bagazo que se utiliza en las calderas. De esta forma, el jugo que contiene los azúcares de caña (producido en la molienda o en el difusor) puede ser utilizado en la producción de azúcar o de bioetanol.
Para la producción de azúcar, primero se debe cribar y tratar químicamente el jugo, para lograr la coagulación, la floculación y la precipitación de las impurezas, que son eliminadas por decantación. La “torta de filtro”, que se utiliza como abono, surge de la extracción de azúcar del barro del decantador, a través de filtros rotativos al vacío. El jugo tratado se concentra, consecuentemente, en evaporadores de múltiple efecto y se cristaliza. En ese proceso no toda la sacarosa disponible en la caña se cristaliza y la solución residual rica en azúcar (miel) puede volver al proceso, con el propósito de recuperar azúcar. La miel final, también denominada melaza, que no vuelve al proceso de fabricación de azúcar, aún posee un poco de sacarosa y un elevado contenido de azúcares reductores (como la glucosa y la fructosa, resultantes de la descomposición de la sacarosa) y se puede utilizar como materia prima para la producción del bioetanol, a través de fermentación.

De ese modo, la producción de bioetanol de caña de azúcar se puede basar en la fermentación, directamente del jugo de la caña, o de las mezclas de jugo y melaza. En el caso del bioetanol extraído directamente del jugo, las primeras etapas del proceso de fabricación, desde la llegada de la caña hasta el tratamiento inicial del jugo, se asemejan al proceso de fabricación del azúcar. En un proceso más completo, el jugo pasa por el calaje, calentamiento y decantación, así como en el proceso del azúcar. Una vez tratado, el jugo se evapora para adecuar su concentración de azúcares y, eventualmente, se lo mezcla con la melaza, dando origen al mosto, una solución azucarada y lista para  fermentar.

El mosto sigue hacia los tanques de fermentación, donde se le agregan levaduras (hongos unicelulares de la especie Saccharomyces cerevisae) y se fermenta durante un período de 8 a 12 horas, dando origen al vino (mosto fermentado, con una concentración del 7% al 10% de alcohol). El Proceso de Fermentación más utilizado en las destilerías del Brasil es el MelleBoinot cuya característica principal es la recuperación de las levaduras del vino mediante su centrifugación. De esta manera, luego de la fermentación, las levaduras se recuperan y se guardan para un nuevo uso, y el vino es enviado a las columnas de destilación.
Durante la destilación, primero se recupera el bioetanol en forma hidratada, con aproximadamente 96° GL (porcentaje en volumen), correspondiente ha cerca de 6% de agua en peso, dejando la vinaza o “vinhoto” como residuo, en una proporción media de 10 a 13 litros por litro de bioetanol hidratado producido. En ese proceso también se apartan otras fracciones líquidas, dando origen a los alcoholes de segunda y al aceite de fusel. El bioetanol hidratado se puede almacenar como producto final o bien, puede ser mandado a la columna de deshidratación. Pero, como se trata de una mezcla azeotrópica, sus componentes no se pueden separar a través de una simple destilación. La tecnología que más se utiliza en Brasil es la deshidratación por medio de la adición del ciclohexano, cuando se forma una mezcla azeotrópica ternaria, con punto de ebullición inferior al del bioetanol anhidro. En la columna de deshidratación se agrega el ciclohexano en la cumbre, y se retira del fondo el bioetanol anhidro, con aproximadamente 99,7° GL ó 0,4% de agua en peso. La mezcla ternaria extraída de la cumbre se condensa y luego se decanta, y la parte rica en agua se envía a la columna de recuperación de ciclohexano.

También, se puede realizar la deshidratación del bioetanol por medio de absorción con cribas moleculares o mediante destilación extractiva con monoetilenoglicol (MEG), que se destaca debido al menor consumo de energía y a los costos más elevados. Debido a las crecientes exigencias del mercado externo, varios productores de bioetanol de Brasil y de otros países eligen las cribas moleculares, ya que son capaces de producir un bioetanol anhidro que no contamina.

Considerando todo el proceso de producción de bioetanol de caña, los residuos consisten en la vinaza (entre 800 y 1.000 litros por tonelada de caña procesada para bioetanol), en la “torta de filtro” (aproximadamente 40 kg húmedos por tonelada de caña procesada) y en las cenizas de las calderas. Se debe valorar los residuos y luego convertirlos en subproductos, que se reciclan y utilizarlos como fertilizantes. De esta manera, se reduce de manera significativa la necesidad de incorporar fertilizantes minerales y se evita la necesidad de irrigación en los cañaverales.