Tecnologa, Ciencia, EducacinISSN: 0186-6036imiqac@sercom.com.mxInstituto Mexicano de Ingenieros Qumicos A.CMxico

Aburto, Jorge; Martnez, Tabata; Murrieta, FlorentinoEvaluacin tcnico-econmica de la produccin de bioetanol a partir de residuos lignocelulsicos

Tecnologa, Ciencia, Educacin, vol. 23, nm. 1, enero-junio, 2008, pp. 23-30Instituto Mexicano de Ingenieros Qumicos A.C

Monterrey, Mxico

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Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 nm. 1, 2008 23

Evaluacin tcnico-econmica de la produccin debioetanol a partir de residuos lignocelulsicos

Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 14 nms.1-2,1999 23

Jorge Aburto*, Tabata Martnez1, Florentino Murrieta

Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) 23(1): 23-30, 2008

RESUMEN

* Autor a quien debe enviarse la correspondencia(Recibido: Enero 10, 2008, Aceptado: Mayo 25, 2008)

Palabras clave: Evaluacin tcnico-econmica, simulacin de procesos, bioetanol, residuos lignocelulsicosKeywords: Technical and economical evaluation, process simulation, bioethanol, lignocellulosic compounds

El bioetanol es uno de los principales biocombustibles, en estado puro obien en mezclas con gasolina, para uso en vehculos automotores enpases como Brasil y los Estados Unidos de Amrica (EEUU) donde laproduccin en 2007 alcanza 19,000 y 24,600 MML/ao a partir de caade azcar y maz, respectivamente. Sin embargo, la utilizacin de dichasmaterias primas compromete y encarece la produccin de alimentos paraconsumo humano y animal y presentan un balance energtico(energabioetanol/energafsil) poco atractivo. Una alternativa tecnolgicaque permite superar esos problemas es la utilizacin de residuoslignocelulsicos como el bagazo de caa de azcar obtenido en larefinacin del azcar como alternativa en la produccin de bioetanolcarburante en Mxico. Se construy una simulacin del proceso completode produccin de bioetanol mediante la utilizacin del software comercialSuperpro Designer y que considera nicamente las operaciones unitariascorriente arriba (upstream) de la fermentacin de los azcares para finesde una evaluacin tcnico-econmica. Tal consideracin se basa en queel anlisis del estado del arte de la tecnologa indica que los principalescuellos de botella tcnicos y econmicos se sitan en el pretratamientode la materia lignocelulsica, la sacarificacin y la fermentacin de lashexosas y pentosas presentes en el bagazo de caa de azcar. Medianteel tratamiento de los resultados del simulador a diferentes niveles deconversin y utilizando un diseo de superficie de respuesta, el presentetrabajo permiti identificar las limitaciones tcnicas de la tecnologaas como de los parmetros econmicos del procesamiento de bagazode caa de azcar. Finalmente, los resultados obtenidos se interpretaron

Coordinacin de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico en Procesos y Reactores, Instituto Mexicano del Petrleo, 07730 Ciudadde Mxico, Mxico. Correo-e: jaburto@imp.mx, 1 Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Apdo. Postal

70-159, 04510 Mxico DF, Mexico

Technical and economical evaluation of bioethanolproduction from lignocelulosic residues

tomando como base el escenario de substitucin total de los agentesoxigenantes usados en las gasolinas en Mxico.

ABSTRACT

Bioethanol is one of the main biofuels used in vehicles in pure state orblended with gasoline in countries as Brazil and the USA, where theproduction in 2007 reached 19,000 and 24,600 MML/year from canesugar and corn, respectively. Nevertheless, the use of such materialscontrains the production of food and feed, presents a poor energybalance (energyethanol/energyfossil), etc. A technological alternative thatovercomes such problems is the utilization of lignocelulosic residuesas the cane sugar bagasse obtained from the sugar refination processas the alternative raw material for bioethanol production in Mexico.In this work was built the complete process simulation using thecommercial Superpro Designer software that considers only theupstream units for the technical and economical evaluation. Suchconsideration is based on a state-of-the-art analysis of the technologyindicating that technical and economical bottlenecks include thematerial pretreatment, the saccharification and fermentation of hexosesand pentoses present in the cane sugar bagasse. The process simulationwas carried out at different conversion levels and through a statisticalanalysis of surface responses, we identified the technical constraintsas well as the economical parameters for the processing of cane sugarbagasse. Finally, the best results were analyzed in terms on a scenarioof complete substitution of oxygenates in the gasoline distributed inMexico.

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INTRODUCCIN

Los biocombustibles se identifican con aquellos obtenidos a partir de biomasa mediante suprocesamiento qumico, trmico o biotecnolgico. Entreellos se pueden mencionar el biodiesel, bioetanol,biogs y biohidrgeno. Los biocombustibles se utilizanprincipalmente como fuente de energa de vehculos amotor y produccin de electricidad. Se obtienen a partirde materias primas de origen agrcola, ganadero ydesechos orgnicos, los cuales pueden ser substitutosde forma parcial o total de los combustibles de origenfsil, en algunos casos, sin necesidad de modificar losmotores o el diseo de los vehculos.

Mxico se ha rezagado en la implementacin de unplan energtico que considere la utilizacin debiocombustibles que permita paliar con la constantedisminucin de las reservas de combustibles fsiles ascomo con el incremento del precio del petrleo y susdestilados. En el ao 2008 se aprob la ley debioenergticos que fomenta la utilizacin de bioetanolen el pool de gasolina nacional con el fin de disminuirel uso de agentes oxigenantes como el termetilterbutlico (MTBE, por sus siglas en ingls), queha resultado daino para el ecosistema, as como dereducir la importacin de gasolina procedente deEEUU. El bioetanol se obtiene de manera convencionalhoy en da a partir de dos fuentes principales de materiaprima: el maz y la caa de azcar, siendo los EEUU yBrasil los principales productores en el 2007 con 19,000y 24,600 MML de etanol por ao, de acuerdo a datosde la Asociacin de Combustibles Renovables (RFA,2007).

En Mxico, la produccin de bioetanol a partir de losinsumos mencionados compromete la autosuficienciaalimentaria del pas debido al importante consumohumano del maz. Por otro lado, el uso de los azcaresde la caa de azcar como materia prima no permitiraproducir el bioetanol necesario para el volumen degasolina que se consume.

El presente trabajo presenta los avances en laevaluacin tcnico-econmica de la produccinbiotecnolgica de bioetanol a partir de residuoslignocelulsicos, en particular del bagazo de caa, portratarse de uno de los cultivos extensivos de mayorproduccin en Mxico. Se identificaron las operacionesunitarias limitantes del proceso as como el potencialde produccin de bioetanol. Adems, se realiz unanlisis de sensibilidad de varios parmetros del procesosobre el costo de produccin del bioetanol, rendimientoe inversin de capital de una planta industrial basadaen el aprovechamiento de bagazo de caa de azcar.

METODOLOGA

Investigacin del estado del arte dela produccin de bioetanol

En esta primera parte del estudio se investig el estadodel arte para la produccin de bioetanol a partir deresiduos lignocelulsicos as como datos base para lasimulacin del proceso: Composicin de la materiaprima, produccin, distribucin y precio de la caa deazcar en Mxico.

Simulacin del proceso delproduccin de bioetanol

El proceso de produccin de bioetanol se construymediante la utilizacin del Superpro Designer V.7. En elmismo se incluyeron las operaciones unitarias necesariaspara la produccin de bioetanol, pero solamente aquellascorriente arriba (upstream) de la fermentacin de azcaresfueron estudiadas: el pretratamiento de la materialignocelulsica mediante ozonlisis, la sacarificacin y lafermentacin de hexosas y pentosas. Las variablesexperimentales que se usaron en la elaboracin delproceso fueron la ozonlisis a una temperatura de 298.15K y se simularon dos reacciones: la eliminacin de ligninaal 100% y la hidrlisis de la hemicelulosa (15%).

La sacarificacin, en donde la temperatura fue de298.15 K y se realizan cuatro reacciones: la hidrlisis decelulosa (20-100%), hemicelulosa (20-100%), sacarosay pectina. Estas ltimas dos siempre se llevaron a caboal 100%. Y, por ltimo, la fermentacin de hexosas(glucosa y fructosa) y pentosas (xilosa) que se llev acabo a una temperatura de 305.12 K. Las operacionescorriente abajo (downstream) de la fermentacin semantuvieron constantes ya que se consider que sonprocesos convencionales que impactaran en menormedida la produccin de bioetanol en su conjunto. Estasoperaciones son la destilacin del etanol y la recuperacinde los slidos generados en el proceso (biomasa y residuolignocelulsico).

El diseo de experimentos da las variablesexperimentales y despus el software hace un balancede materia y energa en donde determina el costo, lainversin y el rendimiento del bioetanol.

Anlisis de sensibilidad

El anlisis de sensibilidad de las operaciones unitariasantes mencionadas se realiz mediante un diseo deexperimentos por el mtodo de superficie de respuesta,que es un conjunto de tcnicas matemticas y

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estadsticas tiles para modelar y analizar problemasen los cuales una respuesta de inters es influida porvarias variables y donde el objetivo es optimizar esarespuesta. El diseo que se utiliz para estainvestigacin es el de Box-Behnken donde se generanpuntos seleccionando cuatro variables y perturbandoen forma completa sus tres niveles (Montgomery,2005). Esta estrategia se repite para todos las corridasde valores posibles. En este diseo de experimentos(Box-Behnken) se parte de 4 variables experimentalescon tres respuestas y, as, para este caso se tienen 43=64experimentos. Sin embargo, slo se realizaron 27experimentos debido a que se opt por un diseo 43-1que contempla adems 3 estimaciones en el centro deldominio experimental y 8 estimaciones suplementariasen los vrtices del cubo del diseo de experimentos.El diseo de experimentos permite simular en elproceso diferentes condiciones de operacin(porcentajes) para estimar el rendimiento de cada unade las operaciones unitarias seleccionadas. Al finalizar,la superficie de respuesta permite conocer lasensibilidad de cada variable y su impacto en el costode produccin del bioetanol.

Escenario para el uso de etanol como carburanteen MxicoCon base en la revisin bibliogrfica, el diseo deexperimentos y la simulacin del proceso se utiliz elescenario de substitucin completa de los agentesoxigenantes utilizados por PEMEX en el total de lagasolina distribuida en Mxico.

RESULTADOS Y DISCUSIN

Estado del arte y simulacin del procesode produccin de bioetanol

Considerando que las operaciones upstream de lafermentacin alcohlica son las crticas en la produccinde bioetanol a partir de residuos lignocelulsicos(Figura 1), solamente se mencionan stas:

Biomasa lignocelulsica: Es la primera parte delproceso de obtencin de etanol y se refiere a la materiaprima. El bagazo de caa de azcar est compuesto enaproximadamente un 45% de material lignocelulsico,(46.6% de celulosa, 25.2% de hemicelulosa y 20.7%de lignina), un 50% de humedad, de un 2 a 3% deslidos insolubles y de 2 a 3% de slidos solubles(Valdez-Barrn, 1996).

Pretratamiento: El propsito del pretratamiento esincrementar la porosidad del material lignocelulsico

removiendo a la lignina y hemicelulosa de la celulosay de esta manera transformar los polisacridos enmonosacridos fermentables, as como evitar ladegradacin o prdida de carbohidratos. Tambin sebusca evitar la formacin de productos inhibitorios paralos microorganismos encargados de la fermentacincomo es el hidroximetil furfural (HMF) y con elloshacerlo de manera efectiva y al menor costo posible.Existen diversos tipos de pretratamientos para laproduccin de bioetanol, como son: el pretratamientofsico, el pretratamiento fisicoqumico, el pretratamientoqumico y el pretratamiento biolgico.

Fermentacin: En esta etapa se lleva a cabo laconversin de los azcares fermentables a etanol ydixido de carbono por medio de microorganismos. Sislo se utiliza Saccharomyces cerevisiae, que es lalevadura ms comn, slo fermentara a la glucosa y sedebe recordar que tambin se tienen productoshidrolizados de hemicelulosa que estn compuestos noslo por glucosa, sino tambin principalmente de xilosa.Cabe mencionar que la hidrlisis enzimtica y lafermentacin pueden llevarse a cabo simultneamente(sacarificacin-fermentacin).

Diseo de experimentos: Superficie de respuestabasada en Box-Behnken

La base del diseo est conformada por 4 factoresexperimentales (ozonlisis, sacarificacin, fermentacinde hexosas y pentosas) a tres niveles (20, 60 y 100%) y3 respuestas (rendimiento de bioetanol, costo deproduccin e inversin). Para ello, se utiliz un diseoBox-Behnken 43-1 para el ajuste de las superficies derespuesta que, como ya se mencion, result en 27corridas experimentales. Los niveles para cada una delas operaciones unitarias (factores experimentales)consideradas crticas en la produccin de bioetanol apartir de bagazo de caa se alimentaron a la simulacinde manera que se obtuvieron 27 variantes del procesoy los resultados se muestran en la Tabla 1. A partir deestos datos, se realiz el anlisis de la superficie derespuesta por medio del software Statistica V. 6.

En primer lugar, se analiz la variable de respuestacosto de produccin de bioetanol en funcin delpretratamiento (ozonlisis) y la sacarificacin (Figura2). Una baja eficiencia de la ozonlisis (

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Por otro lado, la eficiencia de la sacarificacininfluye de mayor manera al costo de produccin. Enefecto, la estructura cristalina de la celulosa en unarreglo en fibras disminuye el acceso del catalizadorde sacarificacin e incrementa el costo de produccin.Se observa que en el caso de que la ozonlisis como lahidrlisis del bagazo de caa se realizara en un nivelde 60%, el costo del bioetanol se situara por debajo de0.5 USD/kg.

En cuanto a la inversin de capital necesaria para laplanta de bioetanol, se observa que la respuesta mnimase obtiene para una ozonlisis y una sacarificacin del100% (Figura 3). En este caso, la fermentacin dehexosas y pentosas se mantuvo constante a 60%.Podemos ahora decir que tanto la ozonlisis como lasacarificacin son operaciones determinantes en elprocesamiento del bagazo de caa de azcar. Lo anteriorse explica por el volumen de azcares fermentables queson producidos en la operaciones mencionadas y queimpactan de manera importante el tamao de losequipos subsecuentes y por tanto la inversin de capital.

Por ltimo, se analiz la respuesta correspondienteal rendimiento de bioetanol (kgEtanol/kgbiomasa) enfuncin de la ozonlisis y sacarificacin (Figura 4). Seobserva que el incremento del rendimiento en bioetanoldepende de la eficiencia en la ozonlisis y lasacarificacin con una fermentacin tanto de hexosascomo de pentosas al 60%. Para aumentar aun ms elrendimiento en bioetanol es necesario por supuestoincrementar la fermentaciones de los azcares, tantode hexosas como pentosas.

Se puede observar con los resultados que la operacinlimitante en el proceso de produccin de bioetanol es elpretratamiento del material lignocelulsico. Ladesagregacin de las fibras como de la estructuracristalina de la celulosa condiciona la capacidad degenerar azcares fermentables en la sacarificacin.

Posteriormente, la fermentacin de los azcares aetanol depender del contenido de hexosas y pentosaspresentes y que provienen principalmente de la celulosay la hemicelulosa, respectivamente. En este punto esimportante considerar que las levaduras industrialesslo fermentan a bioetanol a las hexosas, por lo queser necesario considerar el uso de organismosgenticamente modificados que puedan tambinconvertir las pentosas a etanol.

Escenario para el uso de etanolcomo carburante en Mxico

En este escenario se plantea la eliminacin del empleode teres derivados del petrleo en la formulacin de

gasolinas, mantenindose la exigencia de oxigenacinde gasolinas en la Zona Metropolitana al nivel de 2%en masa, empleando etanol como componenteoxigenante. Los agentes oxigenantes empleadosactualmente por PEMEX-refinacin en la formulacinde gasolina son el ter metilterbutlico (MTBE, por sussiglas en ingls), ter etilterbutlico (ETBE, por sussiglas en ingls) y el ter teramil-metlico (TAME, porsus siglas en ingls).

Tabla 1Resultados del diseo de experimentos para laproduccin de bioetanol a partir de bagazo de caaen funcin de 4 factores experimentales: a) Pretrata-miento, b) sacarificacin, c) fermentacin dehexosas, d) fermentacin de pentosas; y 3 variablesde respuesta (rendimiento de bioetanol, costo deproduccin e inversin)

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Figura 2. Costo de produccin de bioetanol (USD/kg) en funcin del pretratamiento (ozonlisis) y la sacarifica-cin. La fermentacin de hexosas y pentosas se mantuvo constante en un 60% de eficiencia

Figura 3. Variacin de la inversin de capital (MMUSD) del proceso de produccin de bioetanol a partir debagazo de caa de azcar en funcin del pretratamiento (ozonlisis) y sacarificacin. La fermen-tacin de hexosas y pentosas se mantuvo constante en un 60% de eficiencia

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PEMEX PremiumPEMEX MagnaPEMEX MagnaTotal

Mercado

Todo el pas3 zonas metropolitanas

Resto del pas

Volumen degasolina (MBD)

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Tipo deGasolina

Tabla 2Consumo de gasolina en Mxico en 2005 (SENER-BID-GTZ, 2007)

Volumen deMTBE (MBD)

12.318.0

0.030.0

As, es posible estimar la demanda potencial deetanol, con auxilio de las siguientes consideraciones:

En las gasolinas oxigenadas se supuso un contenidode oxgeno de 2%, a pesar de la especificacin de quese poda oxigenar hasta el 2.7% (PEMEX, 2007;SEMARNAT, 2006), como una manera de considerarla necesaria flexibilidad operativa en las refineras. Paraalcanzar un contenido de oxgeno de 2% en masa degasolina, se requiere de una mezcla con 11% de MTBEo 12% de ETBE o 5.7% de etanol en volumen.

Un resumen de las ventas de gasolina y lascorrespondientes fracciones de MTBE observadas en2005, segn su calidad y presencia oxigenante sepresenta en la Tabla 2. Las ventas de gasolinacorresponden a los datos informados por la empresaproductora y suministradora del mercado (SENER,2007), el volumen demandado de MTBE fue estimadopara una fraccin de 11% en volumen (2% de oxgenoen masa), aunque la presencia de ese agente oxigenantepueda variar siempre que se mantenga en contenido deoxgeno hasta 2.7% de oxgeno en masa, para la fraccinde gasolinas especificadas de acuerdo con la legislacinmexicana.

Figura 4. Variacin de rendimiento de bioetanol (kgEtanol/kgbiomasa) a partirde bagazo de caa de azcar en funcin del pretratamiento(ozonlisis) y sacarificacin. La fermentacin de hexosas y pentosasse mantuvo constante en un 60% de eficiencia

De esta forma, se supone que toda la gasolina oxigenadaen 2005, 275.6 MBD, deba contener 5.7% de etanolpara alcanzar el 2% de oxgeno en masa, resultando endemanda anual de 911.7 miles m3 (Tabla 3).

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Superficie filtrada Surface, Variable: Rendimiento4 3-level factores, 1 Blocks, 27 experimentos; MS Residual=.00051 15

DV: Rendimiento

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Substitucin total de losteres por etanol a 5.7%en 44% de la gasolina(2% de oxgeno)

Demanda deetanol

(mil m3/ao)

911.7

Ahorro de divisas por lareduccin de la importacin

de gosolina y MTBE (mil UDS)Escenario

Tabla3Escenario de introduccin de bioetanol combustibleen Mxico para el ao 2005 (SENER-BID-GTZ, 2007)

410,265

30 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 23 nm. 1, 2008

una sacarificacin del 100% y la fermentacin dehexosas y pentosas al 100% para disminuir la inversinde capital y el costo de etanol. Por su parte, elrendimiento de bioetanol se encrementa en estascondiciones.

En cuanto al escenario propuesto, la produccin debioetanol a partir de bagazo de caa para substituir a losoxigenantes de la gasolina tiene un potencial significativoy que permitira dejar de importar los oxigenantes perotambin exportar los excedentes de bioetanol.

NOMENCLATURA

ETBE ter etilterbutlico, por sus siglas en inglsL LitroMBD Miles de barriles por daMML Miles de millones de litrosMMUSD Miles de millones de dlares de los Estados

UnidosMTBE ter metilterbutlico, por sus siglas en inglsTAME ter teramil-metlico, por sus siglas en inglsUSD Dlares de los EEUU

RECONOCIMIENTOS

Los autores agradecen al IMP por el financiamiento atravs de los proyectos D.00448 y D.00463. TabataMartnez realiz su tesis de licenciatura con la presen-te investigacin.

BIBLIOGRAFA

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Tabla 4.Valores ptimos de las variables de respuestaobtenidos mediante anlisis de superficie de respuesta

0.3053 kg de etanol/kg bagazo0.5879 USD/L47.29 Millones USD

RendimientoCosto del etanolInversin

Con base en el anlisis estadstico de superficie derespuesta se obtuvo un valor ptimo para las variablesde respuesta (Tabla 4). Debe mencionarse que dichoptimo es solamente vlido dentro del dominioexperimental y que el proceso puede an mejorarse.

Si la produccin anual en Mxico de caa de azcar esde 50,892,600 toneladas y sta contiene el 16% de fibra,entonces la produccin potencial de bagazo en Mxicoes de 8,142,816 toneladas, considerando que el totalde dicha produccin se usara para la produccin debioetanol:

(8,142,817e3 kgbiomasa/ao) (0.3053 kgEtanol/kgbiomasa)= 2,486 millones kgEtanol/ao.

(2,486 e6 kgEtanol/ao)(1 L/0.789 kg)(1 m3/1000L) =3,150.8 e3 m3/ao.

La produccin potencial de bioetanol a partir del bagazode caa de azcar es de 3,150.8 e3 m3/ao y que equivalea 3.46 veces la cantidad requerida de oxigenante (911.7mil m3/ao) para la substitucin total de teres dealquilo.

CONCLUSIONES

La simulacin de bioprocesos y el anlisis de sensibilidadpor diseo de experimentos es una herramienta poderosapara la toma de decisiones tecnolgicas, de investigacin,de inversin y de polticas pblicas.

Los resultados experimentales muestran que parallevar a cabo la produccin de bioetanol a partir delbagazo de caa de azcar es necesario hacer unpretratamiento (ozonlisis), la sacarificacin y lafermentacin de hexosas y pentosas. La ozonlisis debemantenerse a un nivel de 100% que permita la hidrlisisde la lignina y la liberacin de la celulosa y hemicelulosapara poder llevar a cabo la sacarificacin y despus lafermentacin. Por otra parte, es necesario llevar a cabo