Bioetanol de trigo

Proyecto Final:Produccion de Bioetanol

Laboratorio de Procesos de SeparacionEquipo 4

Verano 2008

Mexico D.F., 2 de julio de 2008

Alumnos: Francisco Jose Guerra [email protected]

Cecilia Mallen Wiechersceci [email protected]

Adelwart Struck [email protected]

Tamara Varela Vegatammy [email protected]

Asesor: Dr. Ivan Martınez [email protected]

Resumen

En la actualidad hablar de energıa y no hablar de biocombustibles escasi imperdonable. El mercado de biocombustibles crece con pasos agigan-tados, mientras los avances tecnologicos procuran mantener ese ritmo decrecimiento. Es por ello que a lo largo de este proyecto se estudia la pro-duccion de etanol en todas sus etapas; desde la fermentacion del almidonde trigo, hasta la purificacion del etanol. Si bien la concentracion finalobtenida es lejana al grado anhidro, el trabajo plantea un amplio panora-ma para su produccion, utilizando una mateira prima poco estudiada. Elproceso seguido se detalla a lo largo del presente trabajo.

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Procesos de Separacion, Verano 2008

Indice

1. Objetivos 4

2. Introduccion 4

3. Aspectos Generales 43.1. Antecedentes del Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2. Mercado del Etanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.2.1. ¿Por que se desarrollo un mercado de etanol? . . . . . . . 53.3. Estado Actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3.1. Perspectiva mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3.2. Perspectiva en Mexico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.4. Aplicaciones del Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.4.1. Ventajas en el uso de bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . 93.4.2. Inconvenientes en el uso de bioetanol . . . . . . . . . . . . 9

4. Marco Teorico 104.1. Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2. Produccion de Etanol a partir de Almidon de Trigo . . . . . . . . 11

4.2.1. Subproductos de la obtencion del bioetanol . . . . . . . . 124.3. Produccion Industrial de Alcohol a partir de Almidon . . . . . . 134.4. Balance Energetico de la Produccion de Bioetanol . . . . . . . . 13

5. Procedimiento Experimental 155.1. Pruebas Preeliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.1.1. Solucion Almidon de Trigo . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.1.2. Prueba de Yodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.1.3. Prueba de Azucares Reductores . . . . . . . . . . . . . . . 17

5.2. Hidrolisis de Almidon de Trigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.3. Experimentacion de la Cinetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.4. Pruebas de Alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.4.1. Curva de calibracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.5. Destilacion y Purificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.5.1. Primera y Segunda Destilacion . . . . . . . . . . . . . . . 215.5.2. Primera y Segunda Purificacion . . . . . . . . . . . . . . . 21

6. Resultados 216.1. Pruebas Preeliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216.2. Balance de Masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216.3. Fermentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.4. Etapas de Purificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

7. Conclusiones 25

F. J. Guerra, C. Mallen, A. Struck, T. Varela 2


A. Fuentes de Energıa Alternativas 30A.1. Energıa Eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

A.1.1. Central eolica de La Venta, Oaxaca . . . . . . . . . . . . . 32A.2. Energıa Hidraulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

A.2.1. Presa de las Tres Gargantas . . . . . . . . . . . . . . . . . 33A.3. Energıa Oceanica o Maremotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

A.3.1. La central maremotriz de La Rance en Francia . . . . . . 34A.4. Energıa Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

A.4.1. Central electrica Sanlucar la Mayor . . . . . . . . . . . . . 35A.5. Energıa Geotermica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

A.5.1. The Geysers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36



1. Objetivos

Obtener etanol a partir de la fermentacion de almidon de trigo en el labo-ratorio.

Plantear un panorama tecnico y economico del bioetanol en Mexico y elmundo.

2. Introduccion

En la actualidad hablar de energıa y no hablar de biocombustibles es casiimperdonable. El tema del calentamiento global es de igual forma uno de losmas mencionados, no solo en el argot polıtico, sino entre la comunidad cientıfica.

Los aumentos en la temperatura del planeta han sido el principal motor deuna serie de teorıas alrededor de los gases invernadero y sus efectos demoledorespara el planeta. Para solucionar, o por lo menos parchar temporalmente estegrave problema, una de las herramientas mas aceptadas social y cientıficamentees la sustitucion de los combustibles fosiles por energıas alternativas y concre-tamente, hoy en dıa la mas viable, la produccion de bioetanol.

El mercado de biocombustibles crece con pasos agigantados, mientras losavances tecnologicos procuran mantener ese ritmo de crecimiento. Es por elloque a lo largo de este proyecto se estudia la produccion de etanol en todassus etapas; desde la fermentacion del almidon de trigo, hasta la purificacion deletanol, buscando idealmente una solucion anhidra. Si bien esta ultima condicionno se cumplio, se llevaron a cabo todas las etapas. El proceso se describe a detallea lo largo del trabajo.

3. Aspectos Generales

3.1. Antecedentes del Bioetanol

1908: Henry Ford diseno el primer automovil que empleo bioetanol.

1920: Se comercializo en USA un 25 % de bioetanol en la gasolina.

1930: Construccion de una planta de etanol a partir de maız al que llama-ron “gasohol”.

1940: Cierre de la planta de gasohol, por los bajos precios del petroleo.

1970’s: Crısis del petroleo.

1980’s: Surgen polıticas energeticas en busca de alternativas a la depen-dencia de los combustibles fosiles.



3.2. Mercado del Etanol

3.2.1. ¿Por que se desarrollo un mercado de etanol?

La decada de los 90 fue la mas calida desde que se tienen registros. El si-glo pasado, la Tierra se calento 0.6 ◦C pero, segun el Panel Internacional sobreCambio Climatico (PICC), las temperaturas aumentaran todavıa mas: de entre1.4 ◦C y 5.8 ◦C para el ano 2100.

Ello se deberıa en gran parte a las crecientes emisiones de gases, en especialel dioxido de carbono generado por petroleo, que producen el efecto invernadero.Por ello, se ha invertido en distintas alternativas a traves de los biocombustiblesy en especial etanol, que representa el 90 % de ellos y es producido principal-mente en Brasil.

Existen distintas razones por las cuales se debe desarrollar el bioetanol comocombustible:

Energıa: sustituir combustibles basados en petroleo para aumentar la se-guridad energetica, disminuir la dependencia frente a la volatilidad de losprecios de petroleo, bajar los costos de combustibles o de las importacio-nes, disminuir la dependencia de paıses polıticamente inestables.

Medio Ambiente: disminuir danos ambientales relacionados con la ca-dena del petroleo, como por ejemplo los derrames de petroleo, ademasde reducir la contaminacion. Es importante mencionar que el etanol con-tamina un 60 % menos que la gasolina, una cifra que algunos expertosconsideran que podrıa ser todavıa mayor.

Desarrollo Rural y Agrıcola: apoyar a la agricultura nacional, mejo-rar la situacion economica de las areas rurales y de los ingresos de losagricultores.

El etanol tambien utilizado por aprovechando sus propiedades desinfectan-tes, sin embargo, el principal mercado a futuro se encuentra enfocado en suaplicacion como combustible debido a las grandes ventajas que ofrece en estarama.

3.3. Estado Actual

3.3.1. Perspectiva mundial

Los biocombustibles, a pesar de su gran expansion en los ultimos anos, cu-bren apenas al 1 % del consumo total de combustibles para el transporte. Sinembargo, algunos paıses han llegado a porcentajes mas altos de substitucion.Brasil llega a casi 50 % en gasolina y EE.UU., segundo productor de etanol,al 2.5 %. En Brasil, el total de la substitucion de los combustibles en base apetroleo llega actualmente a un poco mas del 20 % mientras que en EE.UU. es



apenas del 1.8 %.

Muchos paıses han establecido metas ambiciosas para la substitucion como:

Japon: 20 % de la demanda de petroleo con biocombustibles y gas licuadohasta 2030 (mandato previsto).

Canada: mezcla de 10 % etanol en 45 % de la gasolina hasta 2010.

Union Europea: mezcla de 5.75 % en todos los combustibles (diesel y ga-solina) hasta 2010 en todos los paıses miembros.

Estados Unidos: El “Renewable Fuels Standard (RFS)”, exige el uso de28.4 billones de litros de etanol en 2012.

Brasil: mezcla de biodiesel de 2 % hasta 2008, y 5 % hasta 2013 (mandato).

Colombia: Mezcla de 10 % en gasolina en ciudades mayores de 500.000habitantes en 2006 (mandato).

Venezuela: Mezcla de 10 % en gasolina.

China: Mezcla de 10 % en gasolina en cinco provincias.

Tabla 3.1: Principales productores de bioetanol en el mundo (2005).

Paıs Produccion (millones de litros)Brasil 16,500

Estados Unidos 16,230China 2,000

Union Europea 950India 300

La Tabla 3.1 muestra a los principales productores de bioetanol en el mun-do. Resulta de gran importancia considerar que EE.UU. y la Union Europea nopodrıan ser autosuficientes en biocombustibles considerando la tecnologıa ac-tual. Si quieren cumplir con las metas establecidas o por establecerse, tendranque importar parte de los biocombustibles, bajar las restricciones comerciales yestablecer ası un mercado global.

America Latina es una de las regiones con mas potencial para ofrecer bio-combustibles, y etanol en especial, dadas sus ventajas climaticas combinadascon una baja densidad poblacional. Ası se refleja si comparamos los mayoresproductores de etanol, Brasil y EE.UU., que producen el 80 % de la oferta mun-dial.



Para producir el mismo volumen de etanol, EE.UU. necesita el doble delarea de maız que Brasil con cana de azucar. Por tanto, para implementar unamezcla del 10 % en la gasolina, EE.UU. tendrıa que transformar la mitad de laproduccion de maız en etanol, utilizando un 15 % de su tierra agrıcola para laproduccion de etanol. Brasil, por el contrario, con el 1 % o 1.5 % de sus tierrasactualmente cultivadas, podrıa reemplazar totalmente su gasolina por etanol.Para producir el etanol necesario para sustituir 10 % de gasolina en EstadosUnidos, Brasil necesitarıa el 3 % de su tierra actualmente utilizada para agri-cultura. Sin embargo, esto podrıa cambiar en cinco a 10 anos, una vez creadala posibilidad de producir etanol en base a celulosa a gran escala.

Por otro lado, Universidad de Toronto concluye que no sera posible aumentarla produccion de etanol con base en maız en EE.UU. mas alla de una substi-tucion del 15 % del consumo de gasolina. Solo con la produccion de etanol decelulosa serıa posible llegar a niveles mas altos, de hasta el 50 % de reemplazode la gasolina, utilizando materia prima producida en EE.UU.

Es importante tambien mencionar la barrera economica. El etanol brasilenoes competitivo si el barril de petroleo se mantiene a un precio mayor de US$40,US$60 en el caso del etanol de EE.UU. y US$80 con el europeo. Los expertospronostican que el rango de precios por barril en 2010 va desde US$30 hastaUS$100.

3.3.2. Perspectiva en Mexico

En Mexico existe la polıtica de apoyar los proyectos para la produccion in-tegral de etanol y reducir la importacion de gasolinas que ya alcanza el 60 %.

Recientemente se publico en la Conferencia de Alto Nivel Sobre la Seguri-dad Alimentaria Mundial un comunicado del titular de la Secretarıa Agricultura,Ganaderıa, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentacion (Sagarpa). En este se dijoque Mexico pondra en marcha este ano un “fuerte” programa de produccion debiocombustibles. Ademas, se anadio que en 2010, comenzara a usar el bioetanolen vehıculos de Guadalajara y Monterrey, y para el 2011 se utilizara en la ciudadde Mexico.

De acuerdo a lo pactado, el bioetanol sera usado como aditivo para gasolina,sustituyendo al oxigenante MTB. Mexico puede ser un jugador muy importantea nivel mundial en el renglon de los biocombustibles con otro tipo de cultivo,rechazando el uso de alimentos basicos para generar bioenergeticos, remarcandoası que Mexico esta a favor de los bioenergeticos, pero sin poner en riesgo laalimentacion humana ni alterar la ecuacion energetica ambiental. La produccionde bioetanol sera a partir de cana de azucar, y no con maız como lo hace EstadosUnidos.



3.4. Aplicaciones del Bioetanol

E5: El biocombustible E5 significa una mezcla del 5 % de bioetanol y el95 % de gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla maximaautorizada en la actualidad por la regulacion europea, sin embargo, esprevisible una modificacion de la normativa europea que aumentara estelimite al 10 % (E10) ya que diferentes estudios constatan que los vehıculosactuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10 % de bioetanol y losbeneficios para el medioambiente son significativos.

E10: El biocombustible E10 significa una mezcla del 10 % de bioetanoly el 90 % de gasolina normal. Esta mezcla es la mas utilizada en EEUUya que hasta esta proporcion de mezcla los motores de los vehıculos norequieren ninguna modificacion y e incluso produce la elevacion del unoctano en la gasolina mejorando su resultado y obteniendo una notablereduccion en la emision de gases contaminantes.

E85: Mezcla de 85 % de bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehıcu-los con motores especiales. En EE.UU. las marcas mas conocidas ofrecenvehıculos adaptados a estas mezclas. Tambien se comercializan, en algunospaises (EE.UU., Brasil, Suecia) los llamados vehıculos FFV o Vehıculosde Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una va-riedad de mezclas. Los “Fuel Flexible Vehicles” (FFV) son vehıculos deturismo que pueden utilizar como combustible tanto gasolina convencionalderivada del petroleo como bioetanol en mezclas de hasta un 85 % (E85).Por tanto, son vehıculos totalmente polivalentes, que ofrecen la posibili-dad de utilizar energıa renovable en su maximo estado de mezcla sin lanecesidad de consumir mas energıa. Debido al respaldo de los gobiernos einstituciones hacia el desarrollo de las energıas renovables aplicadas en elsector de la automocion, cada vez son mas los fabricantes que investigany desarrollan vehıculos de este tipo.

E95 y E100: Mezclas hasta el 95 % y 100 % de bioetanol son utilizados enalgunos paises como Brasil con motores especiales.

E-DIESEL: El bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivosolvente y produciendo un biocombustible diesel el E-Diesel, con muy bue-nas caracterısticas en cuanto a combustion y reduccion de contaminacionofreciendo ası otras alternativas al bioetanol en el campo de los vehıculosdiesel. El E-Diesel ya se comercializa con exito en EEUU y Brasil y prontohara su aparicion en Espana y Europa.

ETBE: No se comercializa como un biocombustible, sino que se utilizacomo un aditivo de la gasolina. El ETBE (etil-terbutil eter) se obtiene porsıntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilacion delpetroleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volatil y mas misciblecon la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a lagasolina en proporciones del 10-15 %. La adicion de ETBE o etanol sirve



para aumentar el ındice de octano de la gasolina, evitando la adicion desales de plomo.

3.4.1. Ventajas en el uso de bioetanol

Generar etanol a partir de productos agrıcolas presenta varias ventajas:

Es una fuente de combustible renovable.

Reduce dependencia del petroleo del extranjero.

Es una fuente mas limpia de combustible.

Aumenta el octano del combustible con un coste pequeno.

Virtualmente utilizable en todos los vehıculos.

Facil de producir y almacenar.

Los biocarburantes emiten un 40-80 % menos de gases invernaderos quelos combustibles fosiles.

El bioetanol es superior medioambientalmente al resto de los carburantesmas importantes.

Reduce la formacion de la lluvia acida.

Mejora la calidad del aire en zonas urbanas.

No contamina el agua.

Con su produccion puede reducirse los residuos.

En mezcla con gasolina, aumenta el numero de octanos y promueve unamejor combustion.

Reduce las emisiones contaminantes como monoxido de carbono (CO) ehidrocarburos, con un bajo costo. Se estima que la reduccion es de 40 a80 % menos de gases invernadero que los combustibles fosiles.

Es virtualmente utilizable en todos los vehıculos con motor a gasolina.

3.4.2. Inconvenientes en el uso de bioetanol

Para poder utilizar el bioetanol como combustible puro (E100) se necesitallevar a cabo varias modificaciones dentro del motor, y ası no alterar significa-tivamente el consumo. Estas son:

Aumentar la relacion de compresion.

Variar la mezcla de combustible / aire.

Bujıas resistentes a mayores temperaturas y presiones.



Conductos resistentes al ataque de alcoholes.

Se debe agregar un mecanismo que facilite el arranque en frıo.

4. Marco Teorico

4.1. Bioetanol

El alcohol etılico o etanol es un producto quımico obtenido a partir de lafermentacion de los azucares que se encuentran en los productos vegetales, talescomo cereales, remolacha, cana de azucar, sorgo o biomasa. Estos azucares estancombinados en forma de sacarosa, almidon, hemicelulosa y celulosa. Las plantascrecen gracias al proceso de fotosıntesis, en el que la luz del sol, el dioxido decarbono de la atmosfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moleculasorganicas complejas como el azucar, los hidratos de carbono y la celulosa, quese concentra en la parte fibrosa la planta.

El bioetanol se produce por la fermentacion de los azucares contenidos en lamateria organica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado,con un contenido aproximado del 5 % de agua, que tras ser deshidratado sepuede utilizar como combustible.

Almidon Hidrolisis−−−−−−→ Azucar Fermentacion−−−−−−−−→ Etanol

Mediante la fermentacion directa de productos azucarados:

C6H12O6Enzimas−−−−−→ 2CH3CH2OH(l) + 2CO2(g) + H2O(l)

El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de altopoder energetico con caracterısticas muy similares a la gasolina pero con unaimportante reduccion de las emisiones contaminantes en los motores tradiciona-les de combustion. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentracionesdel 5 o el 10 %, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones enlos motores actuales.

Un obstaculo importante es la legislacion europea sobre la volatilidad de lasgasolinas que fija la proporcion de etanol en mezclas E5. Concentraciones maselevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponerde un vehıculo flexible (FFV), con un deposito, motor y sistema de combustibleunico capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquierproporcion. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gaso-lina como etil-terbutil eter (ETBE). Las especificaciones para la utilizacion debioetanol se compendian en la norma Europea de Gasolinas EN 228, en Espanase encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE relativa a la calidad de lasgasolinas y gasoleo, en el Real Decreto R.D. 61/2006 de las especificaciones yuso de biocarburantes.



De esta forma, los principales objetivos de la produccion de bioetanol son:

Preparar mezclas con gasolina en lugar de otros aditivos como el ETBE(etil-terbutil eter) o el MTBE (metil-terbutil eter) en proporciones supe-riores al 5 %.

Usarlo como carburante en mezclas con gasolina hasta un 85 %.

Suministrarlo como materia prima en la produccion del ETBE.

Las principales fuentes actuales de produccion de bioetanol a nivel mundialson en orden alfabetico:

Cana de azucar

Maız

Remolacha

Sorgo dulce

Yuca

4.2. Produccion de Etanol a partir de Almidon de Trigo

El esquema general de fabricacion del bioetanol (Figura 4.1), muestra lassiguientes fases en el proceso:

Dilucion: Es la adicion del agua para ajustar la cantidad de azucar enla mezcla o (en ultima instancia) la cantidad de alcohol en el producto.Es necesaria porque la levadura, usada mas adelante en el proceso defermentacion, puede morir debido a una concentracion demasiado grandedel alcohol.

Conversion: La conversion es el proceso de convertir el almidon/celulosa enazucares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractosde enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidon (o dela celulosa) con el acido en un proceso de hidrolisis acida.

Fermentacion: La fermentacion alcoholica es un proceso anaerobico rea-lizado por las levaduras, basicamente. De la fermentacion alcoholica seobtienen un gran numero de productos, entre ellos, el alcohol.

Destilacion o Deshidratacion: La destilacion es la operacion de separar,mediante calor, los diferentes componentes lıquidos de una mezcla (eta-nol/agua). Una forma de destilacion, conocida desde la antigedad, es laobtencion de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada.



Figura 4.1: Esquema general de fabricacion de bioetanol.

4.2.1. Subproductos de la obtencion del bioetanol

Los subproductos generados en la produccion de bioetanol, ası como el volu-men de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En generalse pueden agrupar en dos tipos:

Materiales lignocelulosicos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las par-tes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorizacionenergetica en cogeneracion, especialmente para cubrir las necesidades energeti-cas de la fase de destilacion del bioetanol, aunque tambien se puede venderel excedente a la red electrica (con precio primado).

Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilerıa de maız desecados consolubles (DDGS), que son los restos energeticos de la planta despues de lafermentacion y destilacion del bioetanol. Tienen interes para el mercadode piensos animales por su riqueza en proteına y valor energetico.

La cana de azucar es la planta mas aprovechable por el bagazo generado parasu combustion y generacion energetica. La remolacha azucarera genera, por suparte, unas 0.75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido.

La produccion de bioetanol a partir de trigo o maız genera en torno a 1.2 tonde DDGS por tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofıas alimenti-cias en cuanto al empleo del DDGS. Cuando el pienso esta en el 15 % o menosde la dieta, el DDGS sirve como una fuente de proteına suplementaria. Cuando



el pienso esta en los niveles mas altos (superior al 15 % de la dieta de la materiaseca) su papel primario es como fuente de energıa. El DDGS esta compuesto degrasa –en un 10-15 %–, de fibra neutra detergente –en un 40-55 %–, de proteınade crudo (CP) –en un 30-35 %– y de ceniza en un 5 %.

4.3. Produccion Industrial de Alcohol a partir de Almidon

Figura 4.2: Esquema general de produccion industrial de bioetanol.

4.4. Balance Energetico de la Produccion de Bioetanol

Para que el etanol contribuya perceptiblemente a las necesidades de combus-tible para el transporte, necesitarıa tener un balance energetico neto positivo.Para evaluar la energıa neta del etanol hay que considerar cuatro variables: lacantidad de energıa contenida en el producto final del etanol, la cantidad deenergıa consumida directamente para hacer el etanol, la calidad del etanol re-sultante comparado con la calidad de la gasolina refinada y la energıa consumidaindirectamente para hacer la planta de proceso de etanol.

Aunque es un asunto que crea discusion, algunas investigaciones que ha-gan caso de la calidad de la energıa sugieren que el proceso toma tanta o masenergıa combustible fosil (en las formas de gas natural, diesel y de carbon) paracrear una cantidad equivalente de energıa bajo la forma de etanol. Es decir,la energıa necesitada para funcionar los tractores, para producir el fertilizante,para procesar el etanol, y la energıa asociada al desgaste y al rasgon en to-do el equipo usado en el proceso (conocido como amortizacion del activo por



los economistas) puede ser mayor que la energıa derivada del etanol al quemarse.

Se suelen citar dos defectos de esta argumentacion como respuesta, en pri-mer lugar el no dar importancia a la calidad de la energıa del bioetanol, cuyosefectos economicos son importantes. Si se compara la calidad de la energıa conlos costes de descontaminacion del suelo que provocan los derrames de gasolinaal ambiente y los costes “medicos” de la contaminacion atmosferica (porque nose puede descontaminar la atmosfera), resultado de la refinacion y de la gaso-lina quemada. Por otro lado, el desarrollo de las plantas de etanol implica unprejuicio contra este producto basado estrictamente sobre la pre-existencia dela capacidad de refinacion de la gasolina. La decision ultima se deberıa fundarsobre razonamientos economicos y sociales a largo plazo.

El primer argumento, sin embargo, sigue debatiendose. No tiene sentido que-mar 1 litro de etanol si requiere quemar 2 litros de gasolina (o incluso de etanol)para crear ese litro. La mayor parte de la discusion cientıfica actual en lo que aletanol se refiere gira actualmente alrededor de las aplicaciones en las fronterasdel sistema. Esto se refiere a lo completo que pueda ser el esquema de entradas ysalidas de energıa. Se discute si se deben incluir temas como la energıa requeridapara alimentar a la gente que cuida y procesa el maız, para levantar y repararlas cercas de la granja, incluso la cantidad de energıa que consume un tractor.

Ademas, no hay acuerdo en que clase de valor dar para el resto del maız,como el tallo por ejemplo, lo que se conoce comunmente como coproducto. Al-gunos estudios propugnan que es mejor dejarlo en el campo para proteger elsuelo contra la erosion y para agregar materia organica. Mientras que otrosqueman el coproducto para accionar la planta del etanol, pero no evitan la ero-sion del suelo que resulta, lo cual requerirıa mas energıa en forma de fertilizante.

Dependiendo del estudio, la energıa neta varıa de 0.7 a 1.5 unidades de eta-nol por unidad de energıa de combustible fosil consumida. En comparacion si elcombustible fosil utilizado para extraer etanol se hubiese utilizado para extraerpetroleo y gas se hubiesen llenado 15 unidades de gasolina, que es un orden demagnitud mayor. Pero, la extraccion no es igual que la produccion. Cada litrode petroleo extraıdo es un litro de petroleo agotado.

Para comparar el balance energetico de la produccion de la gasolina a la pro-duccion de etanol, debe calcularse tambien la energıa requerida para producirel petroleo de la atmosfera y para meterlo nuevamente dentro de la tierra, unproceso que harıa que la eficiencia de la produccion de la gasolina fuese fraccio-naria comparada a la del etanol. Se calcula que se necesita un balance energeticode 200 %, o 2 unidades de etanol por unidad de combustible fosil invertida, an-tes de que la produccion en masa del etanol llegue a ser economicamente factible.

La Tabla 4.1 muestra el rendimiento de los cultivos utilizados para la pro-duccion de bioetanol. En la Tabla 4.2 se presenta la relacion entre la energıa



generada y la energıa consumida para los mismos cultivos.

Tabla 4.1: Rendimiento de cultivos en la produccion de alcohol.

CultivoRendimiento Rendimiento

agrıcola en alcohol[t/ha]

[Letanol/t

] [Letanol/ha

]Cana 120 84.5 10140Maız 85 409 34765Yuca 29 182 5278Sorgo 50 140 7000

Remolacha 60 200 12000Trigo 1.41 ND ND

Tabla 4.2: Relacion entre la energıa generada y la energıa consumida.

Generacion y uso de energıa[kcal/t

]Cana Maız Yuca Sorgo Remolacha

Entradas:Sector Agricultura 41995 570234 393013 71641 295522

Sector Industrial 8707 1478557 574888 340281 156914Subtotal 50702 2048791 967901 411922 452436

Salidas:Etanol 489300 2109994 995400 77400 1106000

Subproductos 78600 399011 136134 107367 214171Subtotal 567900 2509005 1131534 881567 1320171

Salidas/Entradas 11.2 1.22 1.17 2.14 2.92

5. Procedimiento Experimental

El procedimiento experimental que se llevo a cabo para la realziacion de esteproyecto se muestra en forma esquematica en la Figura 5.1. Cada uno de lospasos se describe detalladamente a lo largo de esta Seccion.

1Version estenografica de la Sesion Informativa Nacional del Pronostico Climatologico yPrevision de Cosechas para este ano, de la Secretarıa de Agricultura, Ganaderıa, Desarro-llo Rural, Pesca y Alimentacion, efectuada el 19 de abril de 2005 en las instalaciones de ladependencia. http://www.sagarpa.gob.mx/cgcs/entrevistas/2005/abril/cp190405pdf.htm



Figura 5.1: Diagrama esquematico del procedimiento experimental.

5.1. Pruebas Preeliminares

5.1.1. Solucion Almidon de Trigo

Se preparo una solucion madre de almidon de trigo para realizar las prue-bas de yodo y de azucares reductores. La solucion de almidon se realizo de lasiguiente manera:

1. 0.507 g de almidon de trigo en 50 mL de agua destilada

2. Mezclar perfectamente y se almacenar

5.1.2. Prueba de Yodo

La prueba de yodo se realizo con la finalidad de determinar la presencia dealmidon en la muestra. Una coloracion azul-morado, por la formacion de uncomplejo almidon-yodo indica un resultado positivo.

Reactivos:

solucion de yoduro de potasio (KI) 5mM

solucion de yodo (I2) 5 mM



Preparacion:

1. Se prepararon 6mL de una solucion KI/I2 1:1.

2. Se tomo una alıcuota de 1mL de la muestra y se coloco en un tubo deensaye.

3. Se adiciono 1.5 mL de agua destilada al tubo descrito anteriormente.

4. Se colocaron 2.5 mL de la solucion KI/I2 y se agregaron al tubo de ensayecon la muestra y el agua. Se observo el cambio de coloracion.

5. Se calibra el espectrofotometro a una longitud de onda de 580 nm conun blanco que contiene una solucion de 1:1 de la solucion KI/I2 y aguadestilada.

6. Se colocaron 3mL de la muestra del tubo de ensaye en una celda.

7. Se introdujo la celda al espectrofotometro, se leyo el valor y se registro enla bitacora.

Notas:

Al inicio de la hidrolisis cuando habıa mucho almidon y forma el complejocon el yodo y se obtiene una coloracion azul intenso.

Al final de la hidrolisis cuando el almidon es muy poco y ya no hay com-plejo con el yodo y la coloracion es casi imperceptible.

5.1.3. Prueba de Azucares Reductores

La prueba de azucares reductores tiene como objetivo determinar la pre-sencia de grupos carbonilo libres (C=O), de ahı su nombre. Esto implica laoxidacion del grupo aldehıdo de la glucosa.

Reactivos:

1. solucion de Sal de Rochelle (40 % w/v)

2. solucion DNS (acido dinitrosalicıclico)

Preparacion:

1. Se tomo una alıcuota de 2 mL de la muestra y se colocaron en un tubo deensaye.

2. Se adiciono 2 mL de reactivo DNS.

3. La mezcla se coloco en bano Marıa a una temperatura de 90 ◦C durante15 minutos hasta que se desarrolle una coloracion rojiza casi cafe.



4. Se calibro el espectrofotometro a una longitud de onda es 575 nm. Con unblanco que contiene una solucion 1:1 del reactivo de DNS y agua destilada.

5. Se enfrio a temperatura ambiente y se registro el valor de la absorbanciaque registra el espectrofotometro a una longitud de onda de 575 nm.

Notas:

Antes de llevar la solucion a 95 ◦C, cuando todavıa no hay reaccion entrela oxidacion del grupo aldehıdo de la glucosa.

Despues de que se oxido el grupo aldehıdo de la glucosa, por la accion dela temperatura, tornandose la solucion a color marron.

5.2. Hidrolisis de Almidon de Trigo

La hidrolisis del almidon se llevo a cabo en dos etapas. En la primera etapase llevo a cabo la reaccion de la enzima α-amilasa y la segunda por medio dela enzima glucoamilasa, esto se realizo para obtener glucosa, porque esta esla fuente de carbono (sustrato) que requiere la levadura para crecer y poderproducir el etanol.

Procedimiento:

1. En un matraz de 4 L se colocaron 3L de agua de la llave.

2. Se pesaron 90 g de almidon de trigo y se colocaron en dicho matraz.

3. Se pesaron 0.6 g de CaCl2 y se coloraron en el matraz anterior.

4. Se espero que la solucion gelatinizara.

5. Despues se espero a que la temperatura alcanzara los 72 ◦C y se colocaron6 g de la enzima α-amilasa. La reaccion se dejo a temperatura constantedurante 5 horas.

6. Se realizo una prueba de cuantificacion de almidon por medio de la pruebade yodo. Si la coloracion observada era lila o casi blanca se podıa seguircon la segunda etapa de la hidrolisis. De otro modo, se dejaba reaccionarpor mas tiempo hasta que se presentara este color.

7. Se enfrio el matraz en un bano de hielo a 4 ◦C y se adiciono 1 mL deH3PO4 para obtener un pH de 4.2.

8. Se llevo la solucon del matraz a una temperatura de 60 ◦C y se adiciona-ron 9 mL de la enzima glucoamilasa, la reaccion se dejo por 2.5 horas atemperatura constante.

9. Se realizo una prueba de azucares reductores, si la coloracion es rojo casicafe la reaccion de la hidrolisis esta terminada.



5.3. Experimentacion de la Cinetica

Procedimiento:

1. En un reactor biologico de 3.25 L de volumen nominal se agregaron 2 Lde solucion de almidon hidrolizada, el cual es el medio de cultivo y se leagregaron 10 g de nutrientes para levadura.

2. Se inoculo al medio de cultivo del biorreactor, 500 mL de la solucion delevadura, que llevaba 24 hr con el inoculo.

3. Se esterilizo el inoculo y se lavo perfectamente el biorreactor antes de laoperacion.

4. Se ajusto el biorreactor a una temperatura de 30 ◦C y una agitacion de150 rpm.

5. Se tomaron muestras de 10 mL aproximadamente cada 5 horas y se tomo deahı una alıcuota de 6 mL y se colocaron en un tubo de centrıfuga y se in-trodujo al equipo por 15 minuto a 4000 rpm.

6. Mientras tanto, a los 4 mL sobrantes se les realizo un analisis de absor-bancia.

7. Al terminar el tiempo en la centrifuga se tomaron 3 mL del sobrenadantey se filtro, se guardo en un tubo con tapon, se etiqueto y se guardo en elcongelador.

Medio de cultivo:

10 g/L dextrosa diluido en 100 mL

10 g/L peptona de caseına

5 g/L de extractos de levadura (yeast extract)

1 g/L de NaCl

Estos ultimos tres diluidos todos en 400 mL.

5.4. Pruebas de Alcohol

1. Se tomaron 5 mL de la muestra sin diluir a la que previamente se lemidio la absorbancia.

2. Se colocaron en un tubo de centrıfuga y se introdujo en el equipo, seajusto a 4000 rpm durante 15 minutos.

3. Con una jeringa se tomaron 2 mL del sobrenadante resultante de la cen-trifugacion.

4. Se filtro la solucion a un tubo con tapon.



5. Se etiqueto el tubo.

6. Se tapo el tubo y almaceno en el congelador.

7. Al finalizar el experimento se recolectaron todos los tubos y se llevaronal laboratorio en donde si midio la concentracion de etanol utilizando uncromatografo de gases (CG).

Descripcion del equipo:

Marca: Waters

Modelo: 2695

Columna C-18 de 5 micras de 150 * 4.6 mm

Condiciones de operacion del CG:

Isopropanol-Agua: 58-42

Flujo: 1.2 mL/min

5.4.1. Curva de calibracion

Utilizando los datos que se muestran en la Tabla 5.1 se realizo una curva decalibracion, para estimar los valores de concentracion para la prueba de alcohol.La Figura 6.1 muestra la ecuacion de la regresion lineal obtenida.

Tabla 5.1: Curva de Calibracion.

Concentracion Area[ %v] [u.A.]

0.00 % 00.63 % 71611.25 % 122482.50 % 223285.00 % 46432

10.00 % 8959415.00 % 14512520.00 % 17985930.00 % 274308



5.5. Destilacion y Purificacion

Para aumentar la concentracion de alcohol de la solucion obtenidad poste-rior a la fermentacion se llvaron a cabo cuatro etapas. Dos destilaciones y dospurificaciones en las cuales se utilizo acetato de sodio anhidro.

La Tabla 5.2 muestra un resumen de los datos experimentales obtenidos paraestas cuatro etapas.

5.5.1. Primera y Segunda Destilacion

La primera destilacion se llevo a cabo la destilacion en la columna de destila-cion del laboratorio de Ingenierıa Quımica donde se hicieron 6 cortes midiendola concentracion de alcohol como %v utilizando un refractometro. Cabe desta-car que el rfractometro esta referenciado a 20 ◦C, lo que puede causar erroresen las mediciones, no obstante, de acuerdo a los fines de este trabajo, dichasvariaciones seran despreciadas.

La segunda destilacion se llevo a cabo en una columna a escala laboratorioutilizando una columna larga. De igual forma se midio la concentracion puntualen funcion del tiempo, ası como la concentraion de los cortes.

5.5.2. Primera y Segunda Purificacion

Las purificaciones se llevaron a cabo a escala laboratorio utilizando en ambasocasiones una columna corta. En ambos casos se utilizo acetato de sodio anhidropara favorecer la separacion.

6. Resultados

6.1. Pruebas Preeliminares

Tanto la prueba del yodo, como la de azucares reductores se llevaron a cabode forma cualitativa, resultando ambas positivas.

6.2. Balance de Masa

Rendimiento teorico

Se realiza un balance de materia comenzando por los 90 g de almidn de trigo.Considerando que el almidon de trigo utilizado estuviera compuesto al 100 % dealmidn se hacen los siguientes calculos:

90galmidon ·72g6C

180gC6H12O6= 36gC (6.1)

36gC46gC2H5OH

24g2C= 69gC2H5OH (6.2)



Tabla 5.2: Datos Experimentales para las Destilaciones y las Purificaciones.

Tiempo Corte Cpunt Teb Tdom V Cmix

[min] [ %v] [C] [C] [mL] [ %v]Inicial 25.00 2135.00 2.00 %

D1

0 7.00 % 92.00 79.302 17.00 % 94.00 89.605 1 6.20 % 94.00 90.50 20.50 12.80 %

10 2 3.80 % 94.00 90.80 25.50 4.20 %15 3 3.00 % 94.00 91.10 22.00 3.60 %20 4 3.60 % 94.00 91.00 24.00 3.70 %25 5 2.20 % 95.00 91.20 25.00 2.30 %30 6 1.80 % 95.00 91.30 25.00 2.00 %

Total Mix 25.00 142.00 4.54 %

D2

0 20.00 % 71.003 20.00 % 73.006 19.80 % 79.009 19.00 % 86.00

12 1 16.80 % 89.00 19.20 %15 19.20 % 78.0018 2 11.50 % 90.00 12.00 %

Total Mix 25.00 30.00 18.40 %

P1

0 ND 16.50 % 71.003 20.00 % 73.006 19.80 % 74.009 19.60 % 82.00

12 19.00 % 86.0015 15.80 % 88.00

Total 25.00 20.50 19.20 %

P2

0 ND 19.20 % 71.003 19.20 % 71.007 18.80 % 71.009 19.60 % 68.50

12 19.40 % 66.0015 19.40 % 64.0018 19.60 % 61.00

Final 25 13.00 19.40 %



Asumiendo que el almidon esta compuesto por n glucosas que que todo elcarbono de estas estuviera disponible para la produccion de alcohol, el rendi-miento serıa de 69 g de C2H5OH. Si se considera una densidad a 25 ◦C de798.5096 kg/m3:

69gC2H5OH0.7985g

mL= 55.0965mL (6.3)

Con base en el resultado obtenido y considerando que se obtuvieron 2.135 Lal 2 %v Alc/Vol, es posible calcular el rendimiento teorico de la fermentacion.Para el caso de las destilaciones se utilizo la ecuacion:

rendimiento =experimental− teorico

teorico· 100 (6.4)

Para el caculo del rendimiento de la etapa se considera que el valor inicialde la destilacion n es el mismo que el final de la destilacion n− 1. Los rsultadosse muestran en la Tabla 6.1.

Si bien los rendimientos por etapa resultan altos es posible notar que dis-minuyen a partir de la segunda destilacion. Asimismo, por mas alto que sea elrendimiento, no justifica el aumento mınimo en la concentracion de la solucion.El peor rendimiento se obtuvo para el caso de la primera destilacion. Esto debi-do quiza al ser desproporcionadamente grande respecto a nuestra muestra. A lolargo de la columna y al haber tanto volumen muerto existen una considerablecantidad de fugas y posibles mermas.

El rendimiento de la fermentacion resulta sorpresivamente alto, mas si seconsidera que para obtener el valor teorico se supuso que la totalidad de la masautilizada en un inicio era almidon puro de trigo y que todo el carbono disponiblese convertirıa en etanol. Cabe recordar que el almidon no es una cadena lineal.Si bien la hidrolisis favorece la exposicion de gran parte del carbono, no todoqueda expuesto y listo para la fermentacion.

Cuadro 6.1: Tabla de Rendimientos por Etapa.

Vmix Cmix Cmix Valcohol Rendimiento[mL] [ %v] [ %m] [mL] [ %]

Fermentacion 2135.00 2.00 % 1.61 % 42.70 77.50 %1a Destiliacion 142.00 4.54 % 2.55 % 6.45 15.10 %2a Destilacion 30.00 18.40 % 15.34 % 5.52 85.62 %1a Purificacion 20.50 19.20 % 16.03 % 3.94 71.30 %2a Purificacion 13.00 19.40 % 16.20 % 2.52 64.08 %



6.3. Fermentacion

Durante la fermentacion se tomaron muestras del reactor para monitorearla concentracion de alcohol. Esta se determino utilizando la tecnica de croma-tografıa de gases. Para poder interpretar las areas de los picos fue necesariorealizar una curva de calibracion (Figura 6.1). Los resultados de la concentra-cion de alcohol se muestran en la Figura 6.2.

Figura 6.1: Curva de calibracion para las pruebas de alcohol en el CG.

Analizando la Figura 6.2 es posible observar como en un inicio, la concen-tracion de alcohol aumenta con una tendencia fuerte, la cual va disminuyendoconforme avanza el tiempo, hasta llegar a un estado casi estacionario, e inclusoun poco decreciente. Asimismo, es posible observar que la maxima concentra-cion es cercana al 5 %v, no muy lejos del 2 %v obtenido a traves del ındice derefraccion. Cabe recordar la alta imprecision de dicho aparato, no solo por lasvariaciones en la temperatura, sino por la naturaleza de su lectura.

6.4. Etapas de Purificacion

La Figura 6.3 muestra una tabla comparativa con el rendimiento para cadaetapa y el porcentaje de alcohol de la solucion obtenida. Claramente se observaque la segunda destilacion, es decir, la primera realziada a escala de laboratoriono solo es la de mayur rendimiento, sino la que en mayor proporcion aumenta



Figura 6.2: Concentracion de alcohol durante la fermentacion.

la concentracion del destilado. Podrıa argumentarse que el resto de las desti-laciones y purificaciones fueron un tanto obsoletas, pues mas alla de purificarligeramente la solucion, causaron mermas importantes en la muestra.

La Figura 6.4 muestra la variacion de la concentracion en funcion del tiempopara cada una de las etapas de purificacion. Asimismo se comparan los valoresexperimentales con los teoricos ideales. Si bien los valores resultan poco usuales,es posible notar con claridad que la primera destilacion es la unica notablementediferente al resto. Es decir, una vez finalizada la segunda destilacion, los cambiosen la concentracion del destilado fueron practicamente nulos.

7. Conclusiones

Con base en los resultados presentados es posible afirmar que se cumplieronlos objetivos del proyecto. Como se menciona a lo largo del reporte, se obtuvoetanol a partir de almidon de trigo, el cual fue posteriormente purificado. Enuna ultima instancia se obtuvieron 13mL con una concentracion de 19.4 %v.

Si bien la pureza obtenida dista considerablemente del grado anhidro, resul-ta un muy buen acercamiento para una primera instancia de experimentacion,con una sustancia poco estudiada como lo es el trigo.



Figura 6.3: Rendimiento de las etapas de purificacion.

Figura 6.4: Variacion de la concentracion en las diferentes etapas de purificacion.



El presente trabajo sienta las bases para futuras y mas minuciosas experi-mentaciones, donde el medio de cultivo y las levaduras podrıan ser factores deinfluencia a considerar en el rendimiento de la fermentacion.

No obstante, el verdadero reto se encuentra en la purificacion. Con base enlos resultados obtenidos y contrario a las expectativas,la primera destilacion, lle-vada a cabo en una columna mas compleja que las demas destilaciones resulto enun rendimiento casi ridıculo. Valdrıa la pena omitir ese paso, para reconsiderarel hecho de utilizar dicho equipo.

Ademas de las limitaciones tecnicas propuestas en el presente trabajo esnecesario considerar as limitaciones de viabilidad economica y la sustentabili-dad alimenticia. Mas aun considerando el pauperrimo rendimiento del trigo porhectarea, comparandolo con otras materias primas lingocelulosicas utilizadaspara la produccion de bioetanol.

Es importante recordar que el bioetanol emite igual (o muy similar) canti-dad de CO2 que los combustibles fosiles y si bien uno de sus beneficios es serun recurso renovable, el verdadero incentivo en su uso esta en el balance globalde CO2, pues el los plantıos necesarios para proudcir bioetanol consumen masCO2 del que emite el bioetanol producido. Desde el punto de vista energeticoaun se debate si su balance es favorable o desfavorable.

Estudiar un proceso desde su inicio hasta sus etapas finales resulta no solomuy interesante, sino enriquecedor, pues en ocasiones se cree que para produciretanol hay que meter harina en un reactor, esperar, y cargar el tanque. Los pro-cesos industriales son mucho mas complejos que esto y nuevamente se demuestraque las etapas de purificacion son sin duda alguna las mas caras del proceso.

El reto para el Ingeniero Quımico esta en mejorar estas etapas, aumentarlos rendimientos y encontrar soluciones alternativas que permitan un desarrollointegral y sustentable.

“Logic will get you from A to B.Imagination will take you everywhere.”

- A. Einstein



Referencias

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[14] Wikipedia. Energıa geotermica.http://es.wikipedia.org/wiki/Energıa geotermica, June 2008.

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A. Fuentes de Energıa Alternativas

Una energıa alternativa, o mas precisamente una fuente de energıa alterna-tiva es aquella que puede suplir a las energıas o fuentes energeticas actuales, yasea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidadde renovacion.

El consumo de energıa es uno de los grandes medidores del progreso y bie-nestar de una sociedad. El concepto de “crisis energetica” aparece cuando lasfuentes de energıa de las que se abastece la sociedad se agotan. Un modeloeconomico como el actual, cuyo funcionamiento depende de un continuo cre-cimiento, exige tambien una demanda igualmente creciente de energıa. Puestoque las fuentes de energıa fosil y nuclear son finitas, es inevitable que en undeterminado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistemacolapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos metodos para obtenerdicha energıa. Estas son las energıas alternativas.

En la actualidad se siguen buscando soluciones para resolver esta crisis in-minente. Las energıas renovables en las que se trabaja actualmente son:

La energıa eolica que es la energıa cinetica o de movimiento que contiene elviento, y que se capta por medio de aerogeneradores o molinos de viento.

La energıa hidraulica, consistente en la captacion de la energıa potencialde los saltos de agua, y que se realiza en centrales hidroelectricas.

La energıa oceanica o mareomotriz, que se obtiene bien de las mareas (deforma analoga a la hidroelectrica), o bien a traves de la energıa de las olas.

La energıa solar recolectada de forma directa en forma de calor a altatemperatura en centrales solares de distintos tipos, o a baja temperaturamediante paneles termicos domesticos, o bien en forma de electricidadmediante el efecto fotoelectrico mediante paneles foto voltaicos.

La energıa geotermica producida al aprovechar el calor del subsuelo en laszonas donde ello es posible.

La biomasa por descomposicion de residuos organicos o bien por su quemadirecta como combustible.

La discusion energıa alternativa/convencional no es una mera clasificacionde las fuentes de energıa, sino que representa un cambio que necesariamentetendra que producirse durante este siglo. Es importante senalar que las energıasalternativas, aun siendo renovables, tambien son finitas, y como cualquier otrorecurso natural tendran un lımite maximo de explotacion, por tanto inclusoaunque podamos realizar la transicion a estas nuevas energıas de forma suave ygradual, tampoco van a permitir continuar con este modelo economico basado



en el crecimiento perpetuo. Es por ello por lo que surge el concepto del “Desa-rrollo Sostenible”.

Dicho modelo se basa en las siguientes premisas:

El uso de fuentes de energıa renovable, ya que las fuentes fosiles actual-mente explotadas terminaran agotandose, segun los pronosticos actuales,en el transcurso de este siglo XXI.

El uso de fuentes limpias, abandonando los procesos de combustion con-vencionales y la fision nuclear.

La explotacion extensiva de las fuentes de energıa, proponiendose como al-ternativa el fomento del auto consumo, que evite en la medida de lo posiblela construccion de grandes infraestructuras de generacion y distribucionde energıa electrica.

La disminucion de la demanda energetica, mediante la mejora del rendi-miento de los dispositivos electricos (electrodomesticos, lamparas, etc.)

Reducir o eliminar el consumo energetico innecesario. No se trata solode consumir mas eficientemente, sino de consumir menos, es decir, desa-rrollar una conciencia y una cultura del ahorro energetico y condena deldespilfarro.

La produccion de energıas limpias, alternativas y renovables no es por tantouna cultura o un intento de mejorar el medio ambiente, sino una necesidad a laque el ser humano se va a ver abocado, independientemente de nuestra opinion,gustos o creencias.

A.1. Energıa Eolica

La energıa eolica es la energıa obtenida del viento, es decir, aquella que seobtiene de la energıa cinetica generada por efecto de las corrientes de aire yası mismo las vibraciones que el aire produce. La energıa del viento esta rela-cionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de areas dealta presion atmosferica hacia areas adyacentes de baja presion, con velocidadesproporcionales al gradiente de presion.

Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la su-perficie terrestre por parte de la radiacion solar, entre el 1 y 2 % de la energıaproveniente del sol se convierte en viento. De dıa, las masas de aire sobre losoceanos, los mares y los lagos se mantienen frıas con relacion a las areas veci-nas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menorcantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra seexpande, y se hace por lo tanto mas liviana y se eleva. El aire mas frıo y maspesado que proviene de los mares, oceanos y grandes lagos se pone en movi-miento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.



Para poder aprovechar la energıa eolica es importante conocer la velocidadmaxima del viento. Para poder utilizar la energıa del viento, es necesario queeste alcance una velocidad mınima de 12 km/h, y que no supere los 65 km/h. Laenergıa del viento es utilizada mediante el uso de maquinas eolicas (o aeromo-tores) capaces de transformar la energıa eolica en energıa mecanica de rotacionutilizable, ya sea para accionar directamente las maquinas operatrices, comopara la produccion de energıa electrica.

El desarrollo de energıa eolica en Latinoamerica esta en sus comienzos, lle-gando la capacidad instalada en varios paıses a un total de alrededor de 473MW:

Brasil: 256 MW

Mexico: 88 MW

Costa Rica: 74 MW

Argentina: 27 MW

Chile: 20 MW

Colombia: 20 MW

Cuba: 5 MW

Peru: 1 MW

Otros paıses del Caribe: 57 MW

A.1.1. Central eolica de La Venta, Oaxaca

La Central de La Venta se localiza en el sitio del mismo nombre, a unos 30kilometros al noreste de Juchitan, Oaxaca. Fue la primera planta eolica integradaa la red en America Latina. Con una capacidad instalada de 84.875 MW, constade 105 aerogeneradores, ya que a partir de enero de 2007 entraron en operacioncomercial 98 nuevas unidades generadoras.

A.2. Energıa Hidraulica

Se denomina energıa hidraulica o energıa hıdrica a aquella que se obtienedel aprovechamiento de las energıas cinetica y potencial de la corriente de rıos,saltos de agua o mareas. Es un tipo de energıa verde cuando su impacto am-biental es mınimo y usa la fuerza hıdrica sin represarla, en caso contrario esconsiderada solo una forma de energıa renovable.

La energıa hidraulica tiene la cualidad de ser renovable, pues no se agota lafuente primaria al explotarla, y es limpia, ya que no produce en su explotacionsustancias contaminantes de ningun tipo. Sin embargo, el impacto medioam-biental de las grandes presas, por la severa alteracion del paisaje e, incluso, la



induccion de un microclima diferenciado en su emplazamiento, ha desmerecidola bondad ecologica de este concepto en los ultimos anos.

La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que pre-sentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos,presas, canales de derivacion, y la instalacion de grandes turbinas y equipamien-to para generar electricidad. Todo ello implica la inversion de grandes sumasde dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbon o elpetroleo son baratos, aunque el coste de mantenimiento de una central termica,debido al combustible, sea mas caro que el de una central hidroelectrica. Sinembargo, el peso de las consideraciones medioambientales centra la atencion enestas fuentes de energıa renovables.

A.2.1. Presa de las Tres Gargantas

La presa de las Tres Gargantas esta situada en el curso del rıo Yangtse enChina y es la planta hidroelectrica y de control de inundaciones mas grande delmundo. La presa se levanta a orillas de la ciudad Yichang, en la provincia deHubei, en el centro de China. El futuro embalse llevara el nombre de Sandouping,y podra almacenar 39.000 millones de m3. Contara con 32 turbinas de 700 MWcada una, 14 instaladas en el lado norte de la presa, 12 en el lado sur de lapresa y seis mas subterraneas totalizando una potencia de 22,5 gigavatios (GW),generando en conjunto una energıa electrica de unos 100 TWh al ano.

A.3. Energıa Oceanica o Maremotriz

La energıa mareomotriz se debe a las fuerzas de atraccion gravitatoria entrela Luna, la Tierra y el Sol. La energıa mareomotriz es la que resulta de apro-vechar las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares segun laposicion relativa de la Tierra y la Luna, y que resulta de la atraccion gravitatoriade esta ultima y del Sol sobre las masas de agua de los mares. Esta diferencia dealturas puede aprovecharse interponiendo partes moviles al movimiento naturalde ascenso o descenso de las aguas, junto con mecanismos de canalizacion ydeposito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a unalternador se puede utilizar el sistema para la generacion de electricidad, trans-formando ası la energıa mareomotriz en energıa electrica, una forma energeticamas util y aprovechable. Es un tipo de energıa renovable limpia. La energiamareomotriz es sumamente limpia, pues carece de emision de contaminantes ensu obtencion.

La energıa mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que lafuente de energıa primaria no se agota por su explotacion, y es limpia, ya queen la transformacion energetica no se producen subproductos contaminantesgaseosos, lıquidos o solidos. Sin embargo, la relacion entre la cantidad de energıaque se puede obtener con los medios actuales y el coste economico y ambiental de



instalar los dispositivos para su proceso han impedido una proliferacion notablede este tipo de energıa. Otras formas de extraer energıa del mar son: las olas,la energıa undimotriz; de la diferencia de temperatura entre la superficie y lasaguas profundas del oceano, el gradiente termico oceanico; de la salinidad; delas corrientes submarinas o la eolica marina.

A.3.1. La central maremotriz de La Rance en Francia

En Francia, en el estuario del rıo Rance, EDF instalo una central electricamareomotriz. Funciono durante varias decadas, produciendo electricidad paracubrir las necesidades de una ciudad como Rennes (el 3 % de las necesidades deBretana). El costo del kWh resulto similar o mas barato que el de una centralelectrica convencional, sin el costo de emisiones de gases de efecto invernaderoa la atmosfera ni consumo de combustibles fosiles ni los riesgos de las centralesnucleares. No obstante, los problemas medioambientales fueron bastante graves,como aterramiento del rıo, cambios de salinidad en el estuario y sus proximida-des y cambio del ecosistema antes y despues de las instalaciones.

Otros proyectos similares, como el de una central mucho mayor prevista enFrancia en la zona del Mont Saint Michel, o el de la Bahıa de Fundy en Canada,donde se dan hasta 10 metros de diferencia de marea, o el del estuario del rıoSevern, en el reino Unido, entre Gales e Inglaterra, no han llegado a ejecutarsepor el riesgo de un fuerte impacto medioambiental.

A.4. Energıa Solar

La energıa solar es la energıa obtenida directamente del Sol. La radiacionsolar incidente en la Tierra puede aprovecharse, por su capacidad para calentar,o directamente, a traves del aprovechamiento de la radiacion en dispositivosopticos o de otro tipo. Es un tipo de energıa renovable y limpia.

La potencia de la radiacion varıa segun el momento del dıa, las condicionesatmosfericas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenascondiciones de irradiacion el valor es superior a los 1000 W/m2 en la superficieterrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.

La radiacion es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en lasuma de ambas. La radiacion directa es la que llega directamente del foco solar,sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bovedaceleste diurna gracias a los multiples fenomenos de reflexion y refraccion solaren la atmosfera, en las nubes y el resto de elementos atmosfericos y terrestres.La radiacion directa puede reflejarse y concentrarse para su utilizacion, mientrasque no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.

La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera dela atmosfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1354



W/m2 (que corresponde a un valor maximo en el perihelio de 1395 W/m2 y unvalor mınimo en el afelio de 1308 W/m2).

Cada sistema tiene diferentes rendimientos. Los tıpicos de una celula fotovol-taica (aislada) de silicio policristalino oscilan alrededor del 10 %. Para celulas desilicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %. Los mas altos se consiguencon los colectores solares termicos a baja temperatura (que puede alcanzar el70 % de transferencia de energıa solar a termica).

Tambien la energıa solar termoelectrica de baja temperatura, con el sistemade nuevo desarrollo, ronda el 50 % en sus primeras versiones. Tiene la ventajaque puede funcionar 24 horas al dıa a base de agua caliente almacenada durantelas horas de sol.

Segun el 21◦ Estudio del World Energy Council, para el ano 2100 el 70 % dela energıa consumida sera de origen solar.

A.4.1. Central electrica Sanlucar la Mayor

La central PS10, construida por Abengoa en colaboracion con el CIEMATen Sanlucar la Mayor (Sevilla), esta conectada a la red electrica y produciendodesde el 28 de febrero de 2007. Fue inaugurada oficialmente por el presidente dela junta de Andalucıa, Manuel Chaves, el 30 de marzo de 2007. Se preve una vidaoperativa de al menos 25 anos; es la primera central de explotacion comercialde su tipo. El receptor es de vapor saturado, la potencia es de 11 MWh (624heliostatos y torre de 114 metros de altura) y se espera una produccion anualde 24,2 GWh.

A.5. Energıa Geotermica

La energıa geotermica es aquella energıa que puede ser obtenida por el hom-bre mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. El calor delinterior de la Tierra se debe a varios factores, entre los que caben destacar elgradiente geotermico, el calor radiogenico, etc.

Se obtiene energıa geotermica por extraccion del calor interno de la Tierra.En areas de aguas termales muy calientes a poca profundidad, se perfora porfracturas naturales de las rocas basales o dentro de rocas sedimentarios. El aguacaliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos deflujos de agua y de vapor (flashing). El metodo a elegir depende del que en cadacaso sea economicamente rentable. Un ejemplo, en Inglaterra, fue el “Proyectode Piedras Calientes HDR” (sigla en ingles: HDR, Hot Dry Rocks), abandona-do despues de comprobar su inviabilidad economica en 1989. Los recursos demagma (rocas fundidas) ofrecen energıa geotermica de altısima temperatura,pero con la tecnologıa existente no se pueden aprovechar economicamente esas



fuentes.

En la mayorıa de los casos la explotacion debe hacerse con dos pozos (o unnumero par de pozos), de modo que por uno se obtiene el agua caliente y porotro se vuelve a reinyectar en el acuıfero, tras haber enfriado el caudal obtenido.Las ventajas de este sistema son multiples:

Hay menos probabilidades de agotar el yacimiento termico, puesto queel agua reinyectada contiene todavıa una importante cantidad de energıatermica.

Tampoco se agota el agua del yacimiento, puesto que la cantidad total semantiene.

Las posibles sales o emisiones de gases disueltos en el agua no se mani-fiestan al circular en circuito cerrado por las conducciones, lo que evitacontaminaciones.

Hay tres tipo de plantas electricas que se usan para generar potencia de laenergıa geotermica:

vapor seco

flash

binario

En las plantas a vapor seco se toma el vapor de las fracturas en el suelo yse pasa directamente por una turbina, para mover un generador. En las plantasflash se obtiene agua muy caliente, generalmente a mas de 200 ◦C, y se separala fase vapor en separadores vapor/agua, y se mueve una turbina con el vapor.En las plantas binarias, el agua caliente fluye a traves de intercambiadores decalor, haciendo hervir un fluido organico que luego hace girar la turbina. El va-por condensado y el fluido remanente geotermico de los tres tipos de plantas sevuelve a inyectar en la roca caliente para hacer mas vapor. El calor de la tierraes considerado como una energıa sostenible. El calor de la Tierra es tan vastoque solo se puede extraer una fraccion, por lo que el futuro es relevante para lasnecesidades de energıa mundial.

A.5.1. The Geysers

“Los Geiseres” (The Geysers), a 145 km al norte de San Francisco es la plantamas grande de las que funcionan con vapor seco. La planta comenzo a funcionaren 1960 con 1.360 MW de capacidad instalada y genera 1.000 MW netos. La“Calpine Corporation” es duena de 19 de las 21 plantas en The Geysers, y enEE.UU. es el productor de energıa renovable geotermica mas grande. Las otrasdos plantas son propiedad de la “Northern California Power Agency” y “SantaClara Electric”.


Bioetanol de trigo

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