UNIVERSIDAD DE CHILE FACULAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERA INDUSTRIAL DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y BIOTECNOLOGA

EVALUACIN TCNICO ECONMICA DE UNA PLANTA DE BIOETANOL A PARTIR DE MAZ

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL QUMICO

TATIANA ANDREA GARCA QUEVEDO

PROFESOR GUA RODRIGO DONOSO HEDERRA MIEMBROS DE LA COMISIN MARIA ELENA LIENQUEO CONTRERAS PABLO DAUD MIRANDA FRANCISCO GRACIA CAROCA

SANTIAGO DE CHILE JULIO 2008

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL E INGENIERO CIVIL QUMICO POR: TATIANA GARCA FECHA: 07/07/2008 PROF. GUA: SR. RODRIGO DONOSO

EVALUACIN TCNICO ECONMICA DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE BIOETANOL A PARTIR DE MAZEl objetivo de este trabajo es determinar la posibilidad tanto tcnica como econmica, a nivel de prefactibilidad, de la instalacin y operacin de una planta de etanol en Chile para COPEC S.A. Para ello, se desarroll un estudio de mercado, que estim la necesidad de generar una planta que produzca 80.000 m3/ao de etanol. Adems, se concluy que el maz es el cultivo ms conveniente a utilizar en nuestro pas de acuerdo a las posibilidades acotadas por las caractersticas del suelo y clima, la posibilidad de abastecer una planta con suelos adicionales a los que actualmente se utilizan para alimento y ganado, y finalmente, los precios de los cultivos en territorio nacional.

A partir del estudio tcnico se eligi la modalidad molienda seca para procesar el bioetanol, considerando factibles procesos que estn presentes en las publicaciones ms recientes sobre biocombustibles, es decir, tecnologa de punta a nivel mundial, asi como tambin eficiencia en los gastos energticos del proyecto, para aprovechar al mximo el gasto en energa y reducir costos para producir la misma cantidad de producto que otra clase de proceso. Considerando la cercana a los mayores centros de consumo de gasolina y la reduccin de la distancia de la planta con los terrenos de cultivo de maz, se seleccion la zona de Angostura para localizarla. En el anlisis econmico se determin que la inversin necesaria para desarrollar este proyecto asciende a los 128,5 mill. US$, mientras que los ingresos, son del orden de los 100 mill. US$ anuales, con costos fijos y variables anuales de 79 mill. US$. Bajo las condiciones de octubre del 2007, con un precio de venta del etanol de 1,173 US$/lt y un precio del maz de 0,249 US$/kg el VPN obtenido fue de Mill US$-15,4 y una Tasa interna de retorno de 12,9%. No obstante, el anlisis de sensibilidad entrega resultados alentadores para un precio de venta del etanol superior a 1,3 US$/lt. Esta situacin no es infactible, considerando el comportamiento al alza de los combustibles originarios del petrleo.

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A mis padres Rosa y Carlos, por su incondicional apoyo a lo largo de mi vida.

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AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a mis padres por permitirme hacer posible este inmenso logro en mi vida. Por inculcarme el esfuerzo desde el ejemplo mismo, por ensearme el trazo de metas sin lmites, por entregar sus vidas para hacer de mi una mejor persona. No me imagino la forma de retribuir tanta entrega. Esto es fruto de un esfuerzo compartido. Hermanita, es imposible no agradecerte la compaa incondicional, las conversaciones profundas, la frase honesta ante todo. Durante mi perodo universitario fuiste un cable a tierra, muchas veces fuiste t ms hermana mayor que yo, gracias por aguantarlo. Para cerrar mi estada en la Universidad, quisiera agradecer a mis verdaderos. Esta etapa se hizo inmensamente ms llevadera por contar con su cario, apoyo y compaa. Gracias por ser los mejores compaeros de estudio y a la vez por transformarse en grandes compaeros de vida. En especial a Ceci, Issis, Claudia, Briggitte, Priscila, Hernn, Gonzalo, Luis, Ivan y a mi partner Pamela; a mis amigas qumicas Consuelo, Brbara y Katherine por su incondicionalidad, compaerismo y alegra a pesar de la carga infinita de trabajo que enfrentamos juntas, tanto en lo profesional como en lo personal, el compartir con ustedes fue una instancia de aprendizaje enriquecedora, las quiero. Quisiera agradecer a los profesores y funcionarios que me orientaron durante este proyecto. A Gina por sus sabios consejos y a Yunny por hacer mucho ms que su trabajo, sin ustedes la aventura de una titulacin doble pudo haberse transformado en un camino infinito. No puedo dejar de mencionar a mis tos y abuelos que han estado siempre presentes en mi enseanza. To Omar, gracias por ser un hermano mayor al que seguir y con el que puedo contar siempre. Aldo y Vctor, gracias por comprendrselo todo, por entregarme espacios para ser estudiante en un mundo lleno de grandes responsabilidades. En realidad mi formacin continua, hoy son ustedes parte de ella. Es muy grata la forma en que hacen que lo humano sea tan importante como lo profesional. Edu, gracias por ser parte de cada lnea de este trabajo. Agradezco todas las noches en que me acompaaste mientras redactaba cada pgina, eres parte de todo lo que este documento dice. T y nuestro hijo han sido el motor que me da fuerzas para terminar este proyecto entre fines de semanas y noches despus de extenuantes jornadas laborales, gracias por tu comprensin y ternura infinita.

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Tabla de Contenidos

CAPTULO 1: Introduccin y antecedentes generales ....................................11 1.1. Introduccin ........................................................................................ 11

1.2. Objetivos ............................................................................................... 12 1.2.1. Generales ......................................................................................... 12 1.2.2. Especficos ........................................................................................ 12 1.3. Alcances................................................................................................. 13 1.4. Marco Conceptual .................................................................................... 14 1.5. Oportunidad de Negocio ........................................................................... 16 1.6. Descripcin del Proyecto .......................................................................... 18 1.7. Resultados Esperados .............................................................................. 18 1.8. Metodologa ............................................................................................ 18 CAPTULO 2: Estudio de mercado ..................................................................21 2.1. Usos del Etanol ....................................................................................... 21 2.2. Anlisis del Entorno Internacional.............................................................. 21 2.2.1. Requerimientos energticos ................................................................ 21 2.2.2. El Petrleo en el mundo...................................................................... 22 2.2.3. Etanol en el mundo ............................................................................ 23 2.2.4. Plantas de Bioetanol........................................................................... 25 2.2.5. Algunos puntos de vistas a tener en cuenta .......................................... 25

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2.3. Anlisis del mercado nacional ................................................................... 26 2.3.1. Oferta .............................................................................................. 27 2.3.2. Demanda Nacional ............................................................................. 29 2.3.3. Cifras Copec...................................................................................... 30 2.4. Precios................................................................................................... 32 2.4.1. Precio gasolinas ENAP ........................................................................ 32 2.4.2. Precio gasolinas a usuarios ................................................................. 35 2.4.3. Precio bioetanol ................................................................................. 36 2.5. Capacidad de la planta ............................................................................. 36 2.5.1. Prximo escenario ............................................................................. 36 2.5.2. Porcentaje mezcla.............................................................................. 37 2.6. Anlisis de materias primas chilenas .......................................................... 38 2.6.1. Anlisis de prefactibilidad acotando suelo disponible............................... 39 2.6.2. Anlisis de factibilidad comparando precios de los cultivos ...................... 40 CAPTULO 3: Estudio tcnico .........................................................................43 3.1. Generalidades......................................................................................... 43 3.1.1. Posibilidades del bioetanol como combustible ........................................ 43 3.1.2. Sustancias de inters primario............................................................. 44 3.1.3. El maz ............................................................................................. 46 3.1.4. Desdoblamiento hidroltico .................................................................. 47 3.2. Proceso productivo .................................................................................. 48 3.2.1. Molienda seca ................................................................................... 49 6

3.3. Diagrama de Bloques ............................................................................... 53 3.3. Diagrama de Bloques ............................................................................... 53 3.4. Tiempo de residencia en los reactores........................................................ 53 3.4.1. Cintica de crecimiento celular ............................................................ 54 3.4.2. Cintica de reacciones enzimticas ...................................................... 55 3.4.3. Tiempos de residencia ........................................................................ 56 3.5. Balances de masa ................................................................................... 57 3.5.1. Transformacin de almidn a azcares simples y fermentacin................ 57 Fermentacin ............................................................................................. 58 Resultados ................................................................................................. 62 3.5.2. Destilacin ........................................................................................ 63 Resultados ................................................................................................. 64 3.5.4. Deshidratacin .................................................................................. 66 Resultados ................................................................................................. 66 3.5.5. Desnaturalizacin .............................................................................. 67 3.5.6. Resumen entradas y salidas del proceso ............................................... 67 3.6. Balances de energa................................................................................. 68 3.6.1. Coccin ............................................................................................ 69 3.6.2. Licuefaccin ...................................................................................... 69 3.6.3. Sacarificacin .................................................................................... 69 3.6.4. Antes de fermentar ............................................................................ 70 3.6.5. Durante fermentacin ........................................................................ 70 7

3.6.6. Destilacin ........................................................................................ 71 3.6.7. Resumen .......................................................................................... 71 3.7. Dimensionamiento de equipos .................................................................. 71 3.7.1. Reactores ......................................................................................... 71 3.7.2. Columna de destilacin....................................................................... 73 3.8. Diagrama de flujo.................................................................................... 75 3.9. Ubicacin planta...................................................................................... 78 CAPTULO 4: Estudio legal ............................................................................. 79 4.1. Normativa de calidad ............................................................................... 79 4.2. Evaluacin de impacto ambiental .............................................................. 79 4.3. Normas para residuos lquidos industriales ................................................ 81 4.4. Legislacin relacionada a los impuestos sobre la produccin de Biodiesel........ 82 CAPTULO 5: Evaluacin econmica ..............................................................83 5.1. Plan de Recursos Humanos....................................................................... 83 5.1.1. Gasto en salarios ............................................................................... 85 5.2. Ingresos................................................................................................. 85 5.2.1. Ventas de bioetanol ........................................................................... 85 5.2.2. Ventas de DDGS ................................................................................ 86 5.3. Inversin................................................................................................ 86 5.3.1. Inversin no incluida en cotizacin....................................................... 87 5.3.2. Inversin Total. ................................................................................. 90 5.4. Costo capital de trabajo ........................................................................... 91 8

5.5. Costos fijos y variables ............................................................................ 91 5.5.1. Especificaciones sobre los costos ......................................................... 92 5.6. Depreciacin........................................................................................... 95 5.7. Tasa de descuento................................................................................... 95 5.8. Nivel de endeudamiento........................................................................... 95 5.9. Resultados del flujo de caja ...................................................................... 96 5.9.1 Resultados VPN ante variaciones del precio del maz ............................... 96 5.9.2 Resultados VPN ante variaciones del precio del etanol ............................. 96 Conclusiones .................................................................................................98 BIBLIOGRAFA............................................................................................. 100 BIBLIOGRAFA............................................................................................. 100 ANEXO .........................................................................................................102 Anexo 1. Normativa de calidad del bioetanol sometida a consulta pblica por la CNE (Mayo 2007). .............................................................................................. 102 Anexo 2. Cintica de reacciones enzimticas y con crecimiento microbiano ......... 105 Anexo 3. Normativa ambiental atingente a residuos lquidos industriales (Decreto

supremo N90/2000 Secretara general de la presidencia) ................................ 108 Anexo 4. Organigrama de la empresa............................................................. 110 Anexo 5. Desglose de asignacin de sueldo por cargo....................................... 111 Anexo 6. Batera incluida en propuesta TOMSA. ............................................... 112 Anexo 7. Layout de la planta cotizada por TOMSA S.A. ..................................... 114 Anexo 8. Permisos necesarios. ...................................................................... 115

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Anexo 9. Flujo de caja para condiciones iniciales en miles de US$. ..................... 119 Anexo 10. Clculo de platos columna de destilacin. ........................................ 121 Anexo 11. CD con planilla de clculos de balances de masa, balances de energa y flujo de caja del proyecto.............................................................................. 122

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CAPTULO 1: Introduccin y antecedentes generales

1.1.

Introduccin

La bioenerga es el tipo de energa producida a travs de materia prima de origen biolgico y renovable. Un tipo de bioenerga son los biocombustibles, los que pueden cumplir un rol reemplazante o complementario de los carburantes de origen fsil, lo que est sujeto a diversas opciones tcnicas existentes. Dentro de los biocombustibles, los biocarburantes abarcan al subgrupo caracterizado por la posibilidad de su aplicacin a los actuales motores de combustin interna (motores diesel y ciclo Otto). Los ms comunes utilizan materias primas vegetales, y se crean a travs de transformaciones biolgicas y fsico-qumicas. En la actualidad se encuentran desarrollados principalmente dos tipos: Biodiesel: Obtenido a partir de la transesterificacin de aceites vegetales con un alcohol liviano (como metanol o etanol). Bioetanol: Generado fundamentalmente de productos agrcolas ricos en azcares. En los programas de planificacin chilenos a las formas de energa de origen vegetal, se las ubica en el segmento denominado energa renovable no convencional, lo que se asocia a medidas gubernamentales que potencian su uso por contribuir a la independencia energtica nacional. La legislacin, de manera tentativa, permite la venta y uso de biocombustibles, sin embargo, acotara la mezcla en un 5% del combustible de origen vegetal, sumado a un 95% del combustible histricamente utilizado1. El uso de biocombustibles en el mundo es el resultado de dcadas de investigacin intentando optimizar el uso de suelo, minimizar la cantidad de materia prima por litro producido y reducir los costos de produccin.

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Segn normativa de calidad en consulta pblica por la Comisin Nacional de Energa, se muestra en

Anexos 1.

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Inicialmente, a principios de la dcada de los 80s, los biocombustibles se visualizaban slo como una alternativa para minimizar la dependencia del crudo, aminorando los efectos de sus fluctuaciones de precios. Sin embargo, con el pasar del tiempo, la gestacin de polticas de mejoras medioambientales, ha motivado su uso. Lo que sumado al aumento sostenido del precio del petrleo, se presenta como una posibilidad de insertar en el mercado los biocombustibles a un precio sustentable. Durante mucho tiempo se habl de la infactibilidad econmica de la produccin de esta forma de energa, pues sus costos las hacan poco competitivas frente a sus anlogas de origen fsil. Sin embargo, en la actualidad, bajo el contexto del plan de seguridad energtica chileno, surge la necesidad de una evaluacin que contemple la creciente alza que han presentado el ltimo tiempo los precios de los combustibles tradicionales.

1.2. Objetivos1.2.1. Generales Desarrollar un estudio tcnico econmico, a nivel de prefactibilidad, de una planta productora de etanol a partir de productos agrcolas, para ser usado como combustible en el mercado nacional. 1.2.2. Especficos Evaluar la existencia de materias primas apropiadas para producir etanol en el mercado nacional. Seleccionar la ms apropiada. Determinar proceso productivo adecuado para producir etanol en Chile. Dimensionar equipos requeridos. Identificar normativas ambientales vigentes aplicables al proyecto. Desarrollar estudio de mercado para la potencial industria de bioetanol en Chile. Determinar inversin, costos y beneficios asociados al proyecto. Desarrollar evaluacin econmica a nivel de prefactibilidad. Confeccionar anlisis de sensibilidad sobre variables relevantes.

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1.3. AlcancesEl estudio se concentrar principalmente en la evaluacin tcnico econmica, a nivel de prefactibilidad, de una planta de etanol para ser usado como combustible en mezcla con gasolina, de acuerdo con restricciones propuestas por Copec S.A. que es la empresa para la que se estudiar este proyecto. Estas restricciones se relacionan con las necesidades econmicas y tcnicas de la empresa antes mencionada. Para la estimacin de otros parmetros, especialmente los del tipo agronmico y tecnolgico, como lo son la eleccin de la materia prima y tecnologa, se usar en lo posible informacin de la literatura, como publicaciones de Universidades norteamericanas o estudios de organismos gubernamentales que han desarrollado estudios aplicados a Chile en tpicos puntuales agronmicos. El proyecto no se hace cargo de la implementacin del mismo. No es una gua para su posterior ejecucin. Este trabajo slo entregar una visin general de los factores y costos relevantes que inciden en el proyecto, con el fin de justificar una evaluacin a nivel de factibilidad en caso de que se desee continuar con el estudio de ste. Este trabajo deja de lado toda la logstica de distribucin asociada a la venta de bioetanol y al suministro de materias primas. Considerando, eso s, el costo de las materias primas e insumos puestos en el lugar donde se llevar a cabo el proceso productivo. Este anlisis deja de lado toda evaluacin social relacionada con el incremento de precios de las materias primas vinculadas al proceso productivo escogido, que pudiesen ser utilizadas como alimento y su incidencia en ndices macroeconmicos nacionales. Sin embargo, evala la variacin de los resultados econmicos con valores transables crecientes de la materia prima. La capacidad instalada de la planta a disear estar basada en un estudio de mercado y en las proyecciones de venta de gasolina de Copec S.A. Tampoco se considerarn en la evaluacin, los costos asociados a la posterior mezcla de bioetanol con gasolina ni los requerimientos operacionales asociados.

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Esta memoria incluir el diseo y dimensionamiento de los equipos principales del proceso productivo. Sin embargo, para obtener resultados econmicos ms realistas, es decir, con valores de mercado, para la evaluacin econmica se utilizarn cotizaciones llave en mano de la planta.

1.4. Marco ConceptualEl Etanol, denominado tambin alcohol etlico, es un compuesto cuya frmula es CH3CH2OH, peso molecular 46,07 gr/mol y densidad 0,8 gr/cc. Es un lquido incoloro, muy voltil, fcilmente inflamable y soluble en agua. Ebulle a 78C y se congela a 112 C2. El etanol se puede obtener a travs de fermentacin, para ello se usan levaduras y/o bacterias. El substrato es biomasa proveniente de almidones de cereales (trigo, maz, cebada, etc), o tubrculos (yuca, camote, papa, malanga, etc); de azcares (caa de azcar, pataca, sorgo dulce, remolacha, etc) o de sustancias celulsicas (desperdicios forestales, agrcolas, etc.). La combustin de etanol genera CO2 y H2O. Esta reaccin produce una energa equivalente a 26.900 KJ/mol de etanol3. Como combustible puro, es utilizado principalmente en Brasil. Su uso, con

temperaturas inferiores a 15C, pude dar lugar a problemas de encendido, para que esto no ocurra el mtodo ms comn de solucionarlo es aadirle una pequea parte de gasolina (inferior a un 1%). Otro factor importante es el octanaje, el etanol tiene un octanaje mucho mayor que la gasolina, en torno a 110. Esta caracterstica genera beneficios en variables como detonacin, emisiones y duracin del motor4. No obstante, su rendimiento vara respecto al combustible convencional. Estas son algunas de las diferencias:

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Acevedo E. AGROENERGA, Un desafo para Chile Acevedo E. AGROENERGA, Un desafo para Chile ECOPETROL S.A. Efecto del etanol sobre propiedades fisicoqumicas de las gasolinas colombianas y

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desempeo de motores y vehculos

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Reduccin de la potencia (aproximadamente un 2% para mezclas al 15% de etanol y 85% de gasolina). Aumento del consumo (4% para mezclas del 15%). Aumento de la corrosin de las partes metlicas y componentes de caucho.

A continuacin se presenta una tabla comparativa con las propiedades de la gasolina y etanol:Tabla 1.1. Propiedades del etanol y la gasolina

PROPIEDAD Frmula Peso molecular C (% en masa) H2 (% en masa) O2 (% en masa) Gravedad especfica Temperatura de ebullicin ( C) Punto de inflamacin ( C) temperatura de autoignicin ( C) Lmites inflamabilidad % en volumen: BajoAlto

ETANOL CH CH OH 46,07 52,2 13,1 34,7 0,794 76 12,5 4283 2

GASOLINA Mezcla de hidrocarburos de C4-C12 100-105 85-88 12-15 0 0,72-0,78 27-225 9 260

4,319 Fuente: Vilajuana Jaime, 1981.

1,47,6

Este biocombustible contiene menos energa por litro que las gasolinas, con lo que su rendimiento es menor, pudiendo llegar hasta un 30% menos, si es que se utiliza puro. En la tabla 1.2 se muestran los rendimientos relativos de motores utilizando mezcla gasolina etanol. Interpolando valores de la tabla 1.2, se puede observar que el rendimiento para una mezcla que contenga un 5% de etanol slo se vera disminuido en un 1%. Debido a las propiedades termoqumicas ms favorables, la eficiencia trmica es potencialmente mejor con etanol, puede ser quemado en mezclas ms pobres, y operar con razones de compresin ms altas. 15

Tabla 1.2. Rendimientos mezclas gasolina etanol

Mezcla combustible Gasolina [%] 100 90 80 70 0 Etanol [%] 0 10 20 30 100

Rendimiento Relativo [Km /l] [%] 100 98,3 96 93,3 68

Fuente: Vilajuana Jaime, 1981.

Existen otros factores operativos que se deben tener en cuenta. Este biocombustible no debe ser trasladado por oleoductos debido a incompatibilidades con algunos materiales, contaminacin cruzada, afinidad con el agua y corrosividad. Incluso si est mezclado con gasolinas5.

1.5. Oportunidad de NegocioEl petrleo es el componente ms importante de la matriz energtica mundial. El

mundo consume alrededor de 30 mil millones de barriles de petrleo al ao; se estima que la cantidad de yacimientos explotables que se descubren en la actualidad no darn abasto para la demanda proyectada para la prxima dcada6. Hay que considerar tambin el incremento sostenido que ha presentado el precio del crudo en el ltimo tiempo, lo que hace vez ms costoso solventar necesidades energticas, utilizando formas de energa provenientes de combustibles de origen fsil.

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Segn artculo publicado en www.energiadiario.com Segn la Energy Information Administration (EIA)

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Por otro lado, la seguridad energtica es, en la actualidad, uno de los principales desafos que enfrenta nuestro pas. Chile importa un 98% de la energa que consume7. Por lo mismo, est en una situacin de vulnerabilidad frente a la volatilidad internacional de precios e interrupciones en el suministro. En ese contexto, el Gobierno chileno est impulsando su propio Plan de Seguridad Energtica (PSE). Una de las acciones de este plan apunta a promover la creacin de escenarios que potencien el desarrollo de los biocombustibles. A todos los antecedentes ya mencionados, hay que aadir una limitante que impacta sobre la cantidad de energa disponible, que dice relacin con las restricciones ambientales que pueden surgir en algunas zonas saturadas, como Santiago de Chile. Este factor es relevante, pues la tendencia apunta a la utilizacin de formas de energas limpias y eficientes. En resumen, con un contexto de altos precios, inseguridad en el abastecimiento y preocupacin por el medioambiente, surge la necesidad de desarrollar fuentes alternativas al petrleo en la forma de biocombustibles. stos enfrentan los antecedentes antes presentados con los siguientes atributos: VENTAJAS: Son renovables. Contribuyen a diversificar la matriz energtica. Reducen dependencia del petrleo importado. Reducen emisiones de gases con efecto invernadero (CO2). Mejoran la emisin, rediciendo gases contaminantes. Fomentan el emprendimiento e innovacin y abren oportunidades de negocio e inversin. DESVENTAJAS: Produccin limitada. Menor rendimiento energtico. Mayor costo por unidad de energa al comparar con gasolinas.

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Presentacin de Karen Poniachik, Ministra de Minera y Energa, Seminario Agroenerga- Biocombustibles, 27 de julio de 2006.

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Logstica de distribucin de mayor costo. Efecto de alza de precios sobre los alimentos.

1.6. Descripcin del ProyectoEn este informe se evaluar la prefactibilidad tanto tcnica como econmica de la instalacin y operacin de una planta productora de Bioetanol. Este producto ser vendido para ser utilizado en el sector del transporte. Para lo anterior, se necesitar analizar las condiciones necesarias para insertar este producto en el mercado nacional. El proyecto se disear para ser implementado por Compaa de Petrleos de Chile Copec S.A. por lo que se enmarcar bajo las capacidades y recursos que dispone la empresa. En un entorno de altas volatilidades de precios, ser necesario confeccionar anlisis de sensibilidad considerando las variables que influyen mayormente en los resultados de la evaluacin econmica del proyecto y que son difciles de predecir con certeza.

1.7. Resultados EsperadosDe acuerdo a lo conversado con Copec y a los objetivos planteados, se espera: Caracterizar la Industria de Bioetanol. Definir materia prima adecuada Conocer estndares de calidad vigentes para el etanol en Chile. Definir dimensionamiento de instalaciones. Definir localizacin de la industria. Conocer el marco regulatorio que afecta al proyecto. Determinar el monto de inversin para la construccin de la planta. Determinar costos fijos y variables e ingresos esperados. Evaluar econmicamente el proyecto frente a diferentes escenarios con anlisis de sensibilidad de las variables relevantes.

1.8. MetodologaEn general, en el presente estudio, se recurrir a la opinin experta y al estudio de material bibliogrfico.

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El primer paso ser hacer un estudio de mercado segmentado por reas o regiones basado en el actual entorno de la venta de gasolinas en el pas. Este anlisis evaluar la capacidad mxima o mnima que debera tener la planta estudiada para cubrir mezclas de diferentes porcentajes por zonas. Luego, se proceder a estudiar la materia prima vegetal factible de utilizar en Chile, pues preliminarmente se sabe que su precio ser un factor clave en la competitividad del producto. Se elegir el cultivo que represente un costo menor para producir la misma cantidad de producto terminado y que sea factible obtenerlo en las cantidades requeridas para cubrir la demanda segn distintos niveles de uso en gasolinas. Posteriormente, se proceder a estudiar el marco legal que regula la produccin, venta y uso del bioetanol en Chile. Se sabe de la existencia de proyectos de ley atingentes al tema, pero ser necesario evaluar las regulaciones que estn vigentes para tales efectos. Una vez determinada la materia prima y la capacidad instalada de la planta requerida, se proceder a escoger un proceso productivo adecuado a los requerimientos de fabricar un producto de manera eficiente. Para esto se debern estudiar las metodologas empleadas por pases con mayor experiencia en el tema y las nuevas tecnologas disponibles en el rea. Luego, una vez determinadas las operaciones unitarias requeridas, se especificarn los equipos para consecutivamente confeccionar los balances de masa asociados a stos y las dimensiones requeridas para los mismos. Seguido de lo anterior, se elaborarn los balances de energa del proceso. Ya se est en condiciones de esbozar el diagrama de flujos de la planta evaluada y su correspondiente layout. Consecutivamente, se determinar la localizacin de la planta, a partir de lo que se podr cuantificar el costo del terreno necesario para la instalacin y operacin adecuada de la misma. Para estipular el total de la inversin, se solicitarn cotizaciones a diferentes empresas para comprar una planta llave en mano con todas las consideraciones estipuladas hasta este punto del estudio. Para realizar un anlisis econmico del proyecto, ser necesario estimar los costos operacionales, considerando gastos de insumos, materias primas y servicios bsicos 19

tales como energa elctrica, agua y gas. Adems se debern evaluar los costos fijos, lo que significa calcular gastos por concepto de sueldos, arriendos de oficinas, seguros, gastos generales, etc. A continuacin, se debern estimar los ingresos, para lo cual se confeccionar un plan de ventas del producto en base a la informacin obtenida en el estudio de mercado y a estudio de precios internacionales o alternativos de importacin de etanol. Una vez determinados los ingresos, costos e inversin, se confeccionar el flujo de caja estimativo del proyecto, para lo que se usar como herramienta Microsoft Excel. Para ello se fijarn algunos criterios relevantes en la evaluacin econmica como la tasa de descuento, horizonte de evaluacin, nivel de endeudamiento, etc. Posteriormente, se realizar un anlisis de sensibilidad en torno a las variables que generen mayor incertidumbre para el proyecto. Esto ser fundamental para entender como afectan los distintos escenarios en los resultados econmicos. En cada anlisis se utilizarn como parmetros comparativos el VPN, la TIR y el PRC (Periodos de retorno del capital) del proyecto. Con toda la informacin obtenida, finalmente, se proceder a entregar un resumen de la evaluacin, indicando tanto las condiciones favorables y riesgos del proyecto como su relacin con la normativa o legislacin a fin de que sea factible su implementacin.

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CAPTULO 2: Estudio de mercado

2.1. Usos del EtanolLos principales usos del etanol son los siguientes8: Bebidas Alcohlicas Solvente qumico e industrial Industria cosmtica y afines Intermediario para la produccin de etileno, acetaldehdo, cido actico, steres etlicos, entre otros. En farmacias, hospitales y clnicas como agente desinfectante. Aditivo en combustible de motores de combustin interna. Como combustible puro en motores.

Los dos ltimos puntos tienen inters para efectos de este trabajo, poniendo especial nfasis en la utilizacin como aditivo.

2.2. Anlisis del Entorno Internacional2.2.1. Requerimientos energticos Las necesidades energticas del mundo presentan un aumento sostenido en las

ltimas dcadas. La mayora de los analistas coinciden en que el desarrollo de los pases est ligado a un aumento en su demanda de energa. En la figura 2.1 se muestra la demanda mundial de los distintos tipos de energa primaria.8

Vilajuana

Jaime,

Evaluacin tcnico econmica y anteproyecto de una planta de etanol por 1981.

fermentacin y su uso como combustible,

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Figura 2.1. Demanda mundial de energa primaria

Fuente: International Energy Agency

Se observa en la grfica anterior que el petrleo es la fuente energtica ms utilizada en los ltimos 30 aos. As mismo, las fuentes de energa renovables ocupan un papel cada vez ms importante. Se distinguen en la grfica como fuentes renovables la energa nuclear, la Hdrica y otras, en esta ltima clasificacin se encuentran los biocombustibles, adems de las formas de energa elica y solar. 2.2.2. El Petrleo en el mundo El mundo consume alrededor de 30 mil millones de barriles de petrleo al ao; se estima que las reservas globales son de alrededor de 1 billn de barriles (incluyendo potenciales nuevos descubrimientos). El consumo de petrleo aumentar de 85,2 millones de barriles/da en 2005 a 118 millones al ao 20309. Las fuentes de fcil acceso al crudo ligero se encuentran casi agotadas y que en el futuro el mundo depender del crudo ms pesado y del uso de gasolinas alternativas. Si se analiza por sectores a los consumidores de crudo en el mundo, se concluye que el transporte es el rubro ms demandante y coincidentemente el que se espera aumente su demanda de forma ms rpida. En la figura 2.2 se observa la demanda mundial de crudo y su consumo por sector.9

Segn la Energy Information Administration (EIA)

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Figura 2.2. Consumo mundial de petrleo por sector (Millones de barriles por da)

Fuente: Energy Information Administration/International Energy Outlook

2.2.3. Etanol en el mundo La obtencin de etanol por fermentacin de azucares es el mtodo clsico para producir bebidas alcohlicas, sin embargo, se hace cada vez ms frecuente la generacin del alcohol por este mtodo para su uso como biocombustible. La produccin en el mundo de este commodity ha evolucionado positivamente en los ltimos aos, su produccin creci un 19% en 2005, alcanzando 36,5 mil millones de litros. En la figura 2.3 se observa la curva que representa la generacin de etanol en los ltimos aos. Los principales productores de este biocombustible en el mundo son Brasil y Estados Unidos, con un 35,8% y 33,1% del mercado total. Brasil es conocido por utilizar como materia prima la caa de azcar, mientras que Estados Unidos enfoca sus procesos a la utilizacin de maz.

23

Figura 2.3. Produccin mundial etanol (millones de litros)

Fuente: Worldwatch Institute

En la figura 2.4 se observa cmo se divide la produccin de etanol entre los diferentes pases del mundo.Figura 2.4. Principales pases productores de Etanol en el mundo (%)

Brasil EEUU China India Francia Rusia Alemania Sudfrica Espaa Reino Unido

Fuente: Biocombustibles: Produccin de bioetanol Dra. Carolina Parra, Centro de Biotecnologa, Universidad de Concepcin

24

2.2.4. Plantas de Bioetanol En la actualidad existen plantas productoras de etanol operando en el mundo. En la tabla 2.1 se muestran algunos ejemplos de plantas que en la actualidad operan en Estados Unidos. La materia prima utilizada en estas plantas es maz.Tabla 2.1. Algunas Plantas de Bioetanol en EEUU.

Planta Aberdeen Rosholt Big Stone City Watertown Aurora Hudson Chancellor Scotland Marion Loomis

Empresa Heartland Grain Fuels North Country Ethanol Poet Biorefining Glacial Lakes Energy VeraSun Energy Poet Biorefining Poet Biorefining Poet Research Center VeraSun Energy Poet Biorefining

Ao inicio operacin 1993 2002 2002 2004 2004 2003 1988 2006

Capacidad [MMlt] 151 106 284 379 454 208 379 57 416 227

Fuente: http//:www.sdcorn.org10

Lo anterior evidencia la existencia de tecnologa probada en la elaboracin de bioetanol a nivel industrial en cantidades que van entre los 57 y 450 millones de litros al ao aproximadamente11. 2.2.5. Algunos puntos de vistas a tener en cuenta A pesar de que en este proyecto no se incorpora el impacto social sobre el mercado de los alimentos, existe evidencia12 de que los precios de los alimentos han presentado un comportamiento al alza por lo menos en los ltimos tres aos. Muchos analistas13 consideran que la contribucin de los biocombustibles como una fuente energtica10

ltima visita: 2 de julio 2008. Las capacidades mencionadas slo se refieren a los ejemplos citados en la tabla 2.1, no necesariamente

11

corresponden a los rangos de capacidades de las plantas que a la fecha de este informe operan en el mundo.12

www.odepa.cl Michael Grunwald, The clean Energy Scam artculo publicado en TIME MAGGAZINNE, 7 de abril

13

2008.

25

alternativa, es significativamente menor en comparacin con la hambruna que est generando debido a la utilizacin de una cantidad significativa de suelos que anteriormente se destinaban a cultivos alimenticios. Esto repercute en una disminucin de la cantidad de alimento agrcola ofertado lo que se traduce en un alza de precios que perjudica a los grupos humanos ms pobres. Son estos mismos anlisis los que postulan que a la larga los biocombustibles favorecen el calentamiento global, pues el pas que alberga el llamado pulmn del mundo, Brasil, est reemplazando su selva tropical por hectreas de cultivos de soya para ser usada como materia prima para bioenerga.

2.3. Anlisis del mercado nacionalChile import el 72% de la energa primaria que consumi el 2004, el 98% del crudo, 96% del carbn y 75% del gas natural14. Las categoras de energa primaria ms recurrentes en nuestro pas son petrleo crudo, gas natural, carbn, hidroelectricidad, lea y otros15. En particular la hidroelectricidad se asemeja a un 8% del total de energa primaria consumida. En la figura 2.4 se muestra la evolucin de importaciones de energa primaria en los ltimos aos.

Participacin de Importaciones en Consumo Bruto de Figura 2.4. Fraccin de energa primaria importada Energa Primaria

80% 70% 60% 50% % 40% 30% 20% 10% 0% 1990 1995 2000 2004

48%

54%

69%

72%

Fuente: Balances de Energa CNE,

2006.

14

Presentacin de Karen Poniachik, Ministra de Minera y Energa, Seminario Agroenerga- Biocombustibles, 27 de julio de 2006. Principalmente a biogs y energa elica

15

26

Tabla 2.2. Porcentaje de importacin de energa primaria por categora

Ao1990% Importado de Crudo % Importado de Carbn % Importado de gas natural

1995 95 68 0

2000 97 92 64

2004 98 96 75

88 40 0

Fuente: Balances de Energa CNE, 2006.

En la tabla 2.2 se observa cmo ha aumentado en la ltima dcada el porcentaje de crudo importado, llegando a alcanzar en el 2004 el 98%. El resto del crudo utilizado en la matriz tiene un origen nacional. El crudo importado en el ao 2005 fue 11,8 millones m3 equivalentes a US$ 3,8 miles de millones, a un precio promedio WTI16 de 54,5 US$/barril. 2.3.1. Oferta La oferta de combustibles derivados del petrleo en Chile tiene su origen en la Empresa nacional del petrleo ENAP, empresa nacional encargada de refinar el crudo y hacer llegar a los distribuidores los productos obtenidos. En la figura 2.5 se observa la produccin nacional de gasolinas en los ltimos aos. La gasolina refinada por ENAP es de 93 y 97 octanos. La gasolina de 95 octanos que se vende en los puntos de servicio es producto de la mezcla de las dos primeras en proporciones iguales en el momento de inyectar el combustible al camin. Mientras ENAP es la empresa encargada de refinar el crudo importado, la distribucin de los productos lquidos procesados queda, fundamentalmente, en manos de tres grandes competidores: COPEC, ESSO y SHELL. En la figura 2.6 se observa la participacin de mercado de la industria de las gasolinas (93, 95 y 97 octanos) para el ao 2006. Este grfico se basa en las cifras mostradas en la tabla 2.3 donde se detallan adems las cantidades despachadas por los competidores de esta industria.

16

WTI: West Texas Intermediate, parmetro usado para fijar promedio de calidad, usando como referencia

el crudo producido en Texas

27

En general, la industria de combustibles lquidos se caracteriza por competir por precios, esta competencia ser ms o menos reida dependiendo de la zona geogrfica donde se expenda el combustible17. Debido a lo poco atractivo que parece un mercado pequeo y lejano, es despreciable la cantidad de crudo que ingresa a nuestro pas ya refinado.Tabla 2.3. Cantidades despachadas por los competidores de la industria en el ao 2006

MERCADO GASOLINAS 2006

COPECDespacho [m ] Participacin [%]3

ESSO497.588 17,02

SHELL590.130 20,18

OTRAS379.058 12,96

1.457.170 49,84

Fuente: Registro archivos Copec del 2006.

Figura 2.5. Produccin nacional de gasolina

Evolucin produccin nacional gasolinas [miles m3]4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000

Fuente: Balances CNE, ENAP

17

Opinin del Sr. Roberto Yunge, gerente de abastecimiento de SHELL por ms de 10 aos.

28

Figura 2.6. Participacin de mercado de Gasolinas 2006

OTRAS 13% S L HE L 20% COPE C 50%

ES SO 17%

Fuente: Registro archivos Copec del 2006.

2.3.2. Demanda Nacional Al igual que la tendencia mundial, en Chile el sector con mayores incrementos en su consumo energtico, es el transporte. En este rubro las gasolinas y el diesel son los productos caractersticos. En la figura 2.7 se observa el incremento de la cantidad demanda para esta rea entre los aos 1995 y 2004.Figura 2.7. Evolucin de cantidad de combustible lquido demandado entre 1995 y 2004

GASOLINA : 2,938 MILL m3 DIESEL : 3,072 MILL m3

GASOLINA : 2,752 MILL m3 DIESELFuente: CNE

: 2,062 MILL m3

29

En la figura 2.8 se muestra el consumo nacional de gasolinas y diesel, incluyendo una proyeccin hasta el ao 2014.

Figura 2.8. Evolucin consumo de gasolina y diesel

9.000 8.000 7.000 MILES m3 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 019 90 19 92

GASOLINA

DIESEL

PROYECCIN

19 94

19 96

19 98

20 02

20 00

20 08

20 10

20 06

20 04

Fuente: CNE

Aproximadamente, para el 2010 se necesitarn 3,3 millones de m3 de gasolina para satisfacer las necesidades de los consumidores. 2.3.3. Cifras Copec Copec S.A. disea su logstica de despacho de acuerdo a 4 zonas geogrficas del pas: Zona norte Zona central Zona Santiago Zona surTabla 2.4. Plantas Copec por zona OFICINA ZONA NORTE ZONA CENTRAL ZONA SANTIAGO ZONA SUR ABREV. PLANTAS

ZN ZC ZSA ZS

Arica Caldera Maip Chacabuco

Iquique Salinas Sn. Fernando Linares

Antofagasta Guayacan

Tocopilla Huasco

Chilln

Pto. Montt

20 12

20 14

Sn. Vicente

Pta. Arenas

Fuente: Archivos Copec 30

En la tabla 2.4 se muestran el total de plantas de almacenamiento de combustible pertenecientes a Copec distribuidas por zona geogrfica. Estas plantas reciben el combustible refinado desde ENAP y lo almacenan en estanques. Posteriormente, este producto y los aditivos Copec se inyectan con una bomba hidrulica, en proporciones ya establecidas, a camiones acondicionados con estanques de acero inoxidable con una capacidad de 30 m3 aproximadamente. Estos camiones despacharn la mezcla a las estaciones de servicio designada segn el plan de distribucin de la empresa.Tabla 2.5. Despacho Copec por zona en m3 enero diciembre 2006

DESPACHO ENERO-DICIEMBRE 2006 [m3] ZN ZC ZSA ZS NIVEL PAS

m3Gas 97 s/p Gas 93 s/p Total 45.764 58.621 104.385

% partic.58,0 57,3 57,6

m3113.413 153.737 267.150

% partic.53,7 50,0 51,5

m3321.630 393.715 715.345

% partic.48,4 46,9 47,5

m3137.017 233.273 370.290

% partic.55,1 49,5 51,4

m3617.824 839.346 1.457.170

% partic.51,4 48,8 49,8

Fuente: Archivos Copec

Cada planta tiene designado un rea de abastecimiento, el que debe ser cubierto por la flota de camiones distribuidores. En la tabla 2.5 se muestra las cantidades totales de gasolina despachadas por zona y por octanaje, adems del porcentaje de mercado de Copec en esa zona especfica. Tambin se ilustran las cantidades totales de gasolina despachada por zona en la figura 2.9.Figura 2.9. Grfico de gasolina despachadas por Copec enero-diciembre 2006

Fuente: Archivos Copec

31

Tabla 2.6. Despacho plantas zona Santiago 2006

DESPACHO ZSA 2006 [m3] Maip Gas 97 s/p Gas 93 s/p Total 276.441 30.210 606.651Fuente: Archivos Copec

Sn. Fernando 45.189 63.505 108.694

La Zona Santiago es el espacio geogrfico con mayor despacho registrado el ao 2006. En la tabla 2.6 se muestra la distribucin de esta zona para cada una de sus plantas.

2.4. Precios2.4.1. Precio gasolinas ENAP El precio de las gasolinas, es un referente muy importante a la hora de estudiar el valor de mercado del bioetanol, pues los distribuidores no estarn interesados en mezclar su producto, si el biocombustible incrementa su costo. La estructura que rige el precio de las gasolinas en Chile es la siguiente:

PM(t) = PI(t) + FEPC + IVA +IEDonde: PM (t) = Precio a los distribuidores mayoristas en la semana t. PI (t) = Precio paridad de importacin Concn en la semana t. Precio internacional del producto puesto en Concn. Dado el carcter de importador de crudo y combustibles, en el pas, el precio de los diferentes productos se rige por la paridad de importacin usando como referencia el valor de los diferentes combustibles en un mercado relevante. En la actualidad se est tomando la Costa del Golfo de los Estados Unidos (WTI), se incluye el arancel de internacin que corresponde al 8% como norma para 2001. Este factor es el que mayoritariamente incide en la volatilidad del precio del combustible.

32

El precio paridad de importacin corresponde al precio internacional para el producto puesto en Concn, Chile, incluyendo: Precio FOB en mercado de referencia EE.UU. Promedio de los das hbiles de las semanas "t-3" y "t-2. Costo del transporte martimo Corpus Christi (Texas)-Quintero, Seguro, arancel aduanero (cero absolutamente para producto de origen en EE.UU.) Otros costos menores de importacin Costo de la logstica de recepcin en Quintero y de transporte hasta Concn. Llevado de US$/m3 a $/m3 tomando el tipo de cambio del da martes anterior al da de vigencia de los precios, que es el jueves de cada semana. Si el PI en $ as calculado vara en menos de 0,5% con respecto al PI en $ vigente, no se modifica, permaneciendo por tanto vigente otra semana. Esto para no introducir volatilidad excesiva en los precios incorporando fluctuaciones poco significativas en el mercado internacional. IE= Impuesto especfico. 6 UTM/m3 para las gasolinas. Este valor, corresponde aproximadamente a 200 $/litro de gasolina18. Es importante destacar que este impuesto slo se cobra a las gasolinas utilizadas para el transporte en la va pblica. Los efectos del IE son: Alta recaudacin tributaria Mayores costos de transporte Incentivos a utilizacin de combustibles alternativos, como los biocombustibles, que no son gravados con este impuesto. IVA= Impuesto al valor agregado, 19% sobre el valor de venta. FEPC (t) = Fondo de Estabilizacin de Precios del Petrleo para la semana t, Ley 20.115. Variable segn estrategia gubernamental para disminuir efecto en ndices macroeconmicos. Generalmente no se aplica.

18

Se utiliz el precio de la UTM del 8 de octubre del 2007 (1UTM =$33.749).

33

Para cada combustible afecto, el FEPC establece una banda de precios en torno a un precio de referencia intermedio, con un techo y un piso que se denominan precio de referencia superior (PRS), calculado como el precio de referencia intermedio ms 5%, y un precio de referencia inferior (PRI), calculado como el precio de referencia intermedio menos 5%, respectivamente. Por otro lado, todas las semanas el Ministerio de Minera, determina un precio de paridad de importacin (PPAR) para cada combustible, previo informe de la Comisin Nacional de Energa (CNE). La metodologa de clculo del fondo otorga un crdito o cobra un impuesto por metro cbico de combustible, en base a la relacin que muestre el precio de paridad de importacin, con los lmites de la banda de precios de dicho combustible. As cuando el PPAR de cualquiera de los tres combustibles afectos excede al PRS de su respectiva banda de precios, se otorga un crdito (subsidio) en beneficio del consumidor final de dicho combustible correspondiente a la diferencia entre ambos valores. Por otro lado, cuando el PPAR es menor al PRI de la banda se cobra un impuesto de cargo del consumidor correspondiente a la diferencia entre ambos valores. Si el PPAR cae entre el PRS y el PRI, no se aplicar ni crdito ni impuesto a los combustibles.Figura 2.10. Precio paridad gasolina 93 y su banda de precios en el 2005.

Fuente: Comercializacin de combustibles presentacin Roberto Yunge Ducaud, 2006.

34

En la figura 2.10 se muestran las fluctuaciones del precio paridad y la banda de precios a la que estuvo afecto en el segundo semestre del ao 2005. Los crditos corresponden a los subsidios del FEPC y los impuestos son entradas para el fondo que provienen del bolsillo del consumidor, mayormente.Tabla 2.7. Participacin porcentual sobre el precio de venta de los combustibles a abril del 2007

tem Precio ENAP puesto en Concn Oleoducto Concn/Maip FEPC Impuesto especfico IVA

Participacin sobre precio Gasolina [%] 58,1 0,9 -5,0 35,7 10,3

Fuente: Comercializacin de combustibles presentacin Roberto Yunge Ducaud, 2006.

Para tener una impresin de la estructura real de precios de los combustibles nacionales, se muestra la tabla 2.7, observndose la composicin porcentual de precios ENAP a Distribuidores Mayoristas en Santiago (Participacin porcentual sobre el Precio de Venta al 05 de Abril de 2007). 2.4.2. Precio gasolinas a usuarios El valor que paga el usuario final de la gasolina contempla varios tems adicionales al precio a distribuidores de ENAP, dentro de los que se destaca: Flete primario: Entre refinera y planta almacenadora. Almacenamiento y manejo. Margen comercializacin distribuidor mayorista. Flete secundario: Entre planta almacenadora y punto de venta. Margen comercializacin concesionario o punto de venta. Otros (Inversiones, servicios, etc.) IVA de mrgenes.

35

2.4.3. Precio bioetanol El precio de venta del bioetanol es variable, generalmente depende del precio de venta de la gasolina, lo que en el ltimo ao presenta un comportamiento al alza. Otro factor relevante es el costo de produccin asociado, lo que depender mayoritariamente de la materia prima elegida y de las economas de escala de las plantas que generan el combustible. Las estimaciones del costo de produccin de bioetanol en Brasil son de cerca de 0,57 US$/lt (286 $/lt19) utilizando caa de azcar como materia prima. Sin embargo, en EEUU, este biocombustible se produce del maz, presentando costos de produccin superiores a 0,60 US$/lt. Debido a que bsicamente el bioetanol es un producto de origen agrcola, las instituciones y la economa del rea dominan su produccin. Su precio se relaciona con el valor transable de los cultivos20. Por consiguiente, los altos costos agrcolas, incluyendo la energa, pueden llevar a mayores precios de combustible. La produccin del etanol como combustible est tambin en directa competencia con la produccin de comida en la mayora de los pases21.

2.5. Capacidad de la planta2.5.1. Prximo escenario Segn las proyecciones estimadas por la Comisin Nacional de Energa, el consumo de gasolinas en Chile para el 2010 sera de 3,3 millones de m3. Si Copec mantuviera su participacin en dicho mercado, necesitara despachar a lo largo del territorio chileno 1,65 millones de m3. En la tabla 2.8 se muestran las cifras recin expuestas y las cantidades de bioetanol necesario para que esta empresa reemplace el 5% y el 10% de dicho expendio con bioetanol.19

Se consider el dlar a $503. Dlar promedio de la tercera semana de octubre del 2007 segn la pgina

web del banco central.20

Mass Transit - Use of Alternative Fuels in Transit Buses, General Accounting Office, United States Todos los valores mostrados son vlidos a octubre de 2007.

21

36

Tabla 2.8. Cifras que caracterizan el escenario de bioetanol para Copec en el 2010.

m3Consumo gasolina 2010 Despacho Copec 2010 Reemplazo 5% Reemplazo 10%

3.300.000 1.650.000 82.500 165.000

Fuente: Elaboracin propia

En el anexo 1 se muestra un documento en consulta pblica expuesto en la pgina web de la Comisin Nacional de Energa (CNE), donde se presenta una norma de calidad tentativa para el bioetanol chileno. En este documento se acota el porcentaje de mezcla de bioetanol con gasolina en 5%. En comunicacin por correo electrnico, con la Sra. Marlene Seplveda Cancino, profesional del rea de hidrocarburos de la Comisin Nacional de Energa, se inform que el documento definitivo, que est prximo a hacerse oficial, no tiene cambios sustanciales con lo expuesto en el archivo a consulta. Por lo que se puede suponer que la mezcla definitiva ser la expuesta ah. Esto hace fijar la capacidad de la planta que estudiar este proyecto en 80.000 m3/ao de bioetanol producido para ser mezclado con gasolina al 5%. 2.5.2. Porcentaje mezcla Una variable que acota el porcentaje de mezcla gasolina-bioetanol, expuesta por la Comisin Nacional del Medio Ambiente (CONAMA) en el Workshop Biocombustibles, uso del etanol en Chile22, es la limitante ambiental en este tema, por ser el bioetanol un compuesto oxigenado, aumenta la cantidad de oxgeno presente en el combustible mezclado. Este aumento se podra traducir en un incremento de algunos compuestos clasificados como contaminantes, emitidos tras la combustin, situacin que atenta contra la planificacin ambiental de nuestro pas donde se intenta mantener o reducir las emisiones vehiculares de cualquier sustancia nociva para el medioambiente. La norma chilenas fija la cantidad de oxigenados presentes en las gasolinas en 2% p/p. Este valor se alcanza en la actualidad adicionando DIPE (di isopropileter) a la gasolina recin refinada por ENAP. La propuesta de la CONAMA apunta a reemplazar este

22

Organizado por la CNE. Efectuado el 17 y 18 de octubre de 2007 en Hotel Director de Vitacura, Santiago,

Chile.

37

aditivo por bioetanol, restringindose la mezcla a no sobrepasar la cantidad de oxigenados permitidos por la norma de gasolinas. El etanol contiene 34,8% p/p de oxgeno, al mezclarse la gasolina con 5,7% de este compuesto, se obtendra un producto con un 2% p/p de oxgeno. Esto confirma la probabilidad mayor de encontrarse con un escenario donde la legislacin permita una mezcla mxima de 5% de bioetanol con las gasolinas tradicionales.

2.6. Anlisis de materias primas chilenasEs importante analizar qu materia prima que se podra utilizar en Chile para generar un proyecto de la envergadura econmica de una planta de bioetanol y si es existen suelos suficientes como para abastecer la produccin anual de dicho combustible. Se sabe, por estudios anteriormente elaborados23, que el precio del cultivo elegido como materia prima tendr la mayor incidencia en los costos variables de la operacin de la planta. Chile es un pas que posee recursos de suelos escasos en comparacin a otros pases, pero con altos niveles de productividad. De los 75,6 millones de hectreas de Chile continental, slo 25,2 millones de hectreas tienen potencial silvoagropecuario: Arables: 5,1 millones de hectreas. Aptitud ganadera: 8,5 millones de hectreas. Aptitud forestal: 11,6 millones de hectreas. De estas 5,1 millones de hectreas arables, existen 1,8 con riego, 1,3 potencialmente regables y 2,0 de secano24. En cuanto a los cultivos anuales y su distribucin en el pas, en la tabla 2.9 se incluye la distribucin histrica de los posibles cultivos que figuran como materias primas para la produccin de etanol. Como se aprecia en estas cifras, los cultivos seleccionados se23

Acevedo Edmundo ODEPA

BIOENERGIA: Un desafo para Chile, 2006.

2006.

24

Comit pblico-privado de bioenega,

38

ubican mayoritariamente en la zona centro-sur a sur del pas, representando en promedio ms del 50% de la superficie sembrada por cultivo.Tabla 2.9. Distribucin histrica de potenciales cultivos para bioetanol

Superficie [ha] Cultivos Promedio 2001-2005 Promedio 2005-2006

Participacin Promedio en superficie total de cultivos anuales [%]

Regiones que desarrollan el cultivo

Centro de gravedad de produccin

Trigo Avena Maz Papa Remolacha

419.120 97.374 106.518 59.078 36.514

314.720 90.190 123.560 63.200 27.670

51 12 13 7 4

IV a X VaX V a VIII IV a X VI a X

IX 38% IX 48% VI 57% IX X 60% VIII 52%

Fuente: ODEPA con informacin del Instituto Nacional de Estadstica.

Asimismo, se observa que los promedios del ltimo quinquenio experimentaron disminuciones del rea sembrada en los cultivos (con la sola excepcin de maz y la papa, que tuvieron una leve alza). 2.6.1. Anlisis de prefactibilidad acotando suelo disponible De acuerdo a estimaciones preliminares efectuadas por ODEPA, existiran en el pas cerca de 170.000 hectreas susceptibles de ser cultivadas para la produccin de biocombustibles. Esta superficie fue estimada considerando la evolucin y el uso actual de suelos de los cultivos anuales para la produccin destinada a la alimentacin humana y animal25. En la tabla 2.10 se muestra el suelo disponible para la produccin de los diferentes cultivos mostrados en la tabla anterior (con excepcin de la papa, para el que no se pudo obtener la informacin) y la cantidad de materia prima generada a partir de ellos. Es importante destacar que estas cifras fueron extradas de un informe oficial de ODEPA26 y que corresponden a superficies adicionales a las que en la actualidad se

25

Comit Pblico Privado de Bioenerga, Informe preliminar, ODEPA, Depto. Polticas Agrarias Comit Pblico Privado de Bioenerga, Informe preliminar, ODEPA, Depto. Polticas Agrarias, Unidad

26

de Bioenerga

39

estn utilizando para la agricultura y ganadera. La cantidad de bioetanol generable a partir de la materia prima mostrada en la tabla 2.10 se observa en la tabla 2.11.Tabla 2.10. Superficie potencial para algunos cereales y la produccin asociada a ella.

Cultivos Trigo Avena Maz Remolacha

Superficie [ha] 50.000 20.000 30.000 10.000

Materia prima [miles ton] 250 100 450 1000

Fuente: ODEPA con informacin del Instituto nacional de estadstica (INE)

Tabla 2.11. Bioetanol producible a partir del suelo potencial destinado a biocombustibles

Cultivos Trigo Avena Maz Remolacha

Produccin bioetanol [m3] 90.000 33.000 189.000 80.000

Fuente: ODEPA con informacin del Instituto nacional de estadstica (INE).

Es preciso sealar que estas cifras slo incluyen el uso de grano industrial o en el caso de remolacha su raz, por lo que si se consideraran los rastrojos de las cosechas estas producciones se pueden incrementar. Segn los resultados mostrados en la tabla 2.11, es factible, considerando la necesidad de producir 80.000 m3 de bioetanol, el uso de cualquiera de los cultivos analizados con excepcin de la avena. El caso de la remolacha es crtico, pues deberan utilizarse todas las tierras disponibles para abastecer una potencial planta de bioetanol, por este motivo tampoco sera apto este cultivo 2.6.2. Anlisis de factibilidad comparando precios de los cultivos En el anlisis de prefactibilidad se determin que la avena y la remolacha no eran cultivos que contaran con el suficiente suelo para abastecer la planta que se pretende estudiar. Este razonamiento arroj como candidatos al trigo y el maz.

40

El segundo anlisis estudiar desde el punto de vista econmico la conveniencia del trigo o maz como materia prima del proyecto. En la tabla 2.12 se muestran los precios promedio de la tonelada de cultivo para el 2006. Este valor es el transado por compradores mayoristas en el rubro del agro, sin incluir el costo del traslado del cereal desde la chacra hasta el lugar donde se requiera utilizar. Se estableci como parmetro el valor de la materia prima necesaria para producir 1 litro de bioetanol en Chile. Estos valores fueron obtenidos utilizando los rendimientos, en litros de etanol producido por tonelada de materia prima, mostrados en la tabla 2.13.Tabla 2.12. Precio de los potenciales cultivos

Cultivos Trigo Maz

Precio cultivo [US$/ton] 243 204Fuente: www.odepa.cl27

Tabla 2.13. Rendimiento de etanol por tonelada de cultivo

Cultivos Trigo Maz

Rendimiento [lt etanol/ton] 360 420Fuente: www.odepa.cl

Se obtuvieron las siguientes cifras para el costo de la materia prima necesaria para producir 1 litro de bioetanol:Tabla 2.14. Costo de materia prima para producir 1 litro de bioetanol

Cultivos Trigo Maz27

Precio [US$/ton] 0,68 0,49

Estos datos fueron extrados de la pgina en agosto de 2007

41

Fuente: www.odepa.cl

En la tabla 2.14 se observa que el precio de la materia prima necesaria para generar 1 litro de etanol es considerablemente ms elevado (US$ 0,19 ms alto) para la opcin del trigo. Considerando el parmetro elegido para hacer un segundo anlisis de factibilidad, se puede concluir que el maz es el cultivo ms adecuado para ser usado como materia prima de una planta productora de 80.000 m3/ao de bioetanol en Chile.

42

CAPTULO 3: Estudio tcnico

3.1. GeneralidadesBsicamente, el etanol se puede obtener por dos vas alternativas, una de sntesis, a partir de hidrocarburos derivados del petrleo; y otra por vas de fermentacin a partir de carbohidratos existentes en la naturaleza; en este ltimo caso, el producto obtenido lleva por nombre bioetanol. El bioetanol puede obtenerse a partir de tres clases de materias primas: Materiales sacaroides como azcar de caa, remolachas y jugos de frutas. Materiales que contienen almidn como los cereales (maz, malta, cebada, avena, centeno, trigo, arroz, sorgo y otros), papas, girasol, yuca, entre otras. Materias celulsicas como la madera y los residuos de fabricacin de pulpa de papel. 3.1.1. Posibilidades del bioetanol como combustible Desde el punto de vista tcnico, el etanol es adecuado como combustible, pues sus propiedades, tales como el poder antidetonante y el elevado calor latente de evaporacin, lo catalogan como mejor que la gasolina en varios aspectos, inclusive por emitir menor cantidad de contaminantes. Desde el punto de vista econmico, el etanol est siendo producido por varios pases en el mundo a costos competitivos con los precios actuales del crudo. Desde el punto de vista estratgico es muy ventajoso, pues se trata de un combustible obtenido a partir de fuentes renovables. Se ha demostrado que es posible la sustitucin de hasta un 15% en mezcla gasolina-etanol sin tener que efectuar transformaciones importantes en el motor ni el resto del equipamiento del vehculo28.

28

Vilajuana Jaime, Evaluacin tcnico-econmica y anteproyecto de una planta de etanol por fermentacin

y su uso como combustible, 1981.

43

3.1.2. Sustancias de inters primario Las sustancias que son de inters en la materia prima para la produccin de bioetanol son los hidrocarburos, tambin denominados sacaroides o simplemente azcares. Estos pueden ser simples (glucosa) o ms complejos (celulosa), posibilitando diferentes opciones para su uso. Los principales azcares presentes en los vegetales pueden ser clasificados en: Sustratos fermentables: Son posibles de fermentar en presencia de levaduras para obtener etanol directamente de ellos. Sustratos no fermentables directamente: Para sufrir fermentacin

alcohlica necesitan ser degradados a azcares ms simples susceptibles de fermentar. Este tratamiento previo se llama hidrlisis o sacarificacin. Los azcares se pueden clasificar segn el nmero de hexosas poseen en: a) Monosacridos: Frmula general C6H12O6. Los principales son la glucosa o dextrosa y la fructosa. Son tambin denominados hexosas. b) Disacridos: Frmula general C12H22O11. Los principales son la sacarosa y la maltosa que son fermentables por la levadura alcohlica. La sacarosa est constituida por una unidad de glucosa y una unidad de fructosa. c) Trisacridos: Frmula general C18H32O16. Este grupo est representado principalmente por la rafinosa, que no es fermentable. d) Polisacridos: Frmula general (C6H10O5)n. Son constituidos por cadenas de hexosas. No son fermentables. Dentro de los polisacridos se destacan el almidn, la dextrina y la celulosa. En particular el almidn es una sustancia formada por dos tipos de molculas: Amilosa, formada por 200 a 1000 unidades de glucosa, con uniones alpha 1-4, con estructura lineal. Amilopectina, formada por 900 a 1300 unidades de glucosa, con uniones alpha (1-4) y alpha (1-6), con estructura ramificada. 44

En la figura 3.1 se muestran grficamente ejemplos de pentosas y hexosas.Figura 3.1. Hexosas y pentosas

Pentosa

Hexosa

Hexosa

Fuente: Solomons, G. Fundamentals of Organic Chemistry

Figura 3.2. Estructura molecular amilosa y amilopectina

Enlace alpha (1-6)

Enlace alpha (1-4)

Fuente: Biocombustibles: Produccin de bioetanol Dra. Carolina Parra, Centro de Biotecnologa, Universidad de Concepcin

45

En la figura 3.2 se muestra la estructura molecular de los dos componentes del almidn: la amilosa y la amilopectina, indicando sus enlaces caractersticos. El almidn que se encuentra en la naturaleza, en vegetales como el maz, presenta generalmente cerca de 80% de Amilosa y 20% de Amilopectina29. 3.1.3. El maz Segn lo expuesto en el captulo anterior, existen suelos suficientes como para abastecer la produccin de 189 millones de litros de etanol. Los suelos aptos para este cultivo son los de las regiones V, VI, VII y VIII, figurando con el 57% de la produccin del cultivo la regin del libertador Bernardo OHigginis en el 2006.Tabla 3.1. Composicin msica del maz chileno

COMPOSICIN MAZ Fraccin Especie msica [% p/p] Almidn 62,1 Celulosa/Hemicelulosa Protena Aceite Azcares Ceniza Agua 8,7 8,0 3,7 1,6 0,9 15,0Universidad de Concepcin.

Fuente: Biocombustibles: Produccin de bioetanol Dra. Carolina Parra, centro de biotecnologa,

El maz es un cultivo adecuado para la generacin del biocombustible, pues se destaca por no requerir rotacin de cultivo en el uso de suelos, as como tambin por la posibilidad de almacenamiento de una temporada a otra, evitando el problema de estacionalidad de los vegetales. Segn el Ingeniero agrnomo Patricio Cavieres, miembro de la unidad de biocombustibles del Colegio de Ingenieros Agrnomos es posible su almacenamiento si es que se asegura una humedad inferior al 15%. En la tabla 3.1 se puede observar la composicin msica del maz que ser usado como materia prima del proceso.29

Vilajuana Jaime, Evaluacin tcnico-econmica y anteproyecto de una planta de etanol por fermentacin

y su uso como combustible.

46

3.1.4. Desdoblamiento hidroltico Los polisacridos como el almidn presente en el maz o la celulosa presente en los residuos forestales constituyen la principal fuente de glucosa para la fermentacin del proceso productivo de bioetanol. Ambos compuestos deben ser degradados por enzimas especficas (almidn) o por hidrlisis cida (celulosa). La degradacin enzimtica del almidn a glucosa se puede realizar a travs de dos vas: Desdoblamiento hidroltico por la enzima amilasa hasta obtener cadenas de polisacridos (dextrina) compuestos por 6 a 7 unidades de glucosa, para posteriormente ser degradadas por la enzima glucoamilasa hasta obtener glucosa como monosacrido. Desdoblamiento fosforoltico por enzimas fosforilasas con la formacin de glucosa-6-fosfato. Este mecanismo es menos comn que el anterior en la industria del etanol. Para efectos de este proyecto, se seleccion el desdoblamiento hidroltico, por la vasta experiencia en el uso de esta metodologa de la industria norteamericana del etanol a partir de maz. Las enzimas amilasas que participan en este proceso pertenecen a la categora de las enzimas hidrolasas que provocan la hidrlisis en enlaces glucosdicos. Existen dos tipos de amilasas, la alpha-amilasa y la beta-amilasa que se diferencian en el modo de desdoblar la molcula de almidn. La primera corresponde a una endoenzima, ya que acta sobre los enlaces (1-4) glucosdicos, formando oligosacridos en forma de dextrinas. Cuando existen cadenas laterales de unin (1-6) de amilopeptina la accin de esta enzima ocurre slo sobre los enlaces (1-4), la unin 1-6 se conserva. Bajo una accin prolongada de alpha-amilasa se desdobla todo el polisacrido a maltosa. La beta-amilasa puede efectuar desdoblamiento de la amilosa y la amilopeptina slo a partir de los extremos no reductores de estas molculas, separndose cada vez dos unidades de glucosa en forma de maltosa. sta es una exoenzima que tampoco puede desdoblar los enlaces (1-6) de amilopeptina. 47

Es por este motivo que las molculas de amilopeptina slo pueden ser degradadas parcialmente por las amilasas. Hay isoamilasas que desdoblan especficamente las uniones (1-6), generando la degradacin de la maltosa a 2 molculas de glucosa. La enzima seleccionada para esta etapa es la glucoamilasa. Durante este proceso ocurre una reaccin que transfiere el protn (H+) y el grupo hidroxilo (OH) originarios de una molcula de agua al romper cada enlace glucosdico del disacrido30. La hidrlisis del almidn puede resumirse en la siguiente expresin:

6 10 5

+ (

2

)

6 12 6

3.2. Proceso productivoPara la produccin de etanol a partir de maz se utilizan dos mtodos primarios: molienda seca y molienda hmeda. Ambos procesos incluyen los mismos pasos, diferencindose por la preparacin del grano para la molienda. La eleccin de uno u otro depender del nivel de inversin y de la cantidad de coproductos que se desee obtener. El proceso de molienda hmeda presenta mayor nivel de inversin, mayor cantidad de coproductos y menor rendimiento de la materia prima con respecto al etanol; por otro lado, el proceso de molienda seca se asocia a una inversin menor, menores cantidades de coproductos y mayor rendimiento de la materia prima con respecto al etanol generado. Considerando las caractersticas de este proyecto, ser fundamental reducir el nivel de inversin y dar prioridad a la generacin del producto deseado, que en este caso es el etanol, por estos motivos se seleccion el proceso de molienda seca. Del proceso de molienda seca, adems de etanol, se obtiene dixido de carbono y grano destilado seco y soluble (DDGS) que es un alimento de alta calidad para el ganado, pues contiene un alto contenido de protenas y grasas. Del proceso de molienda hmeda, junto con el etanol, se obtiene aceite de maz, gluten feed, gluten meal y dixido de carbono.

30

BIOENERGA: Un desafo para Chile, Edmundo Acevedo

48

3.2.1. Molienda seca La molienda seca es un proceso de produccin que extrae el almidn contenido en el maz31. Se puede dividir en los siguientes pasos la lnea central del proceso: 1. Almacn de materias primas: La materia prima, maz, ser transportada hasta la planta por medio de movilizacin terrestre. El maz recibido deber ser recogido en tolvas de recepcin desde las que se llevar por medio de transportes de cadena a los silos de almacenamiento hasta los puntos de recepcin de la planta. 2. Molienda: El proceso comienza con la limpieza del grano de maz, que ya limpio, pasa a travs de molinos tipo martillo, que lo convierten en un polvo fino: harina de maz. En trminos generales, se debe conseguir un tamao de partcula donde el 90% de ellas posea un dimetro promedio entre 0,5 mm y 1 mm el 10% restante debera contar con un dimetro inferior a 0,5 mm segn lo mencionado en la literatura. 3. Transformacin del almidn a azcares simples: Se somete la harina de maz obtenida en la molienda a una etapa de pre-coccin, donde en una primera etapa se agrega agua hasta obtener una mezcla de entre 20 a 40% en masa de maz. El agua utilizada es generalmente agua que viene reciclada de otras unidades del proceso. Luego viene la etapa de coccin, donde la mezcla es sometida a temperaturas que pueden llegar hasta los 160C, con el fin de solubilizar los grnulos de almidn. Luego viene la etapa de licuefaccin, donde la mezcla es sometida a temperaturas de 90C, posteriormente se le suministra un contenido entre 0,04% y 0,06% de -amilasa, donde como producto se obtienen dextrinas y pequeas cantidades de glucosa. Luego se inicia la etapa de sacarificacin, donde la temperatura es reducida a los 60C y se adiciona una cantidad variante entre 0,06 a 0,12% de glucoamilasa. Posteriormente el mosto deber ser enfriado hasta alcanzar entre 30C y 35C para comenzar la siguiente etapa.

31

Toda la informacin relacionada con la eleccin de la forma de desarrollo del proceso fue extrada de la

recopilacin bibliogrfica para el primer seminario- Taller de biocombustibles BIOETANOL BIODIESEL 2007 en Bogot, Colombia en abril del 2007.

49

4.

Fermentacin: La fermentacin se realiza en ausencia de oxgeno. El mosto enfriado proveniente de la sacarificacin, se introduce en tanques para su fermentacin mediante la adicin de levaduras especficas. Primero se lleva el mosto a un prefermentador. Es necesario aadir al mosto inoculado nutrientes para favorecer el crecimiento de las levaduras, manteniendo la temperatura por debajo de los 32C. El proceso es realizado con flujo en cascada pasando primero por un grupo de fermentadores conectados en serie. El proceso se efecta de forma continua, hasta que las levaduras hayan transformado el azcar disponible en alcohol. As se obtiene una mezcla de contenido alcohlico aproximado del 12%. Saccharomyces cerevisae ha sido el microorganismo ms ampliamente

utilizado. Se asumir que el proceso se llevar a cabo en fermentadores perfectamente agitados ubicados en serie. La levadura va a ser adicionada slo en el primer tanque, ya que al inicio del proceso irn pasando a los sucesivos tanques a medida que vaya escurriendo el flujo por las distintas cubas. Se modelar esta etapa considerando las particularidades operacionales de una cepa tolerante al etanol, es decir, la inhibicin al producto ser lo ms reducida posible. Una de las claves principales para el xito del proceso va a ser mantener un nivel de clulas de Saccharomyces alto para tener una rpida fermentacin. El riesgo de contaminacin en el proceso existe ya que las bacterias acidolcticas estn siempre en la naturaleza, debido a que el proceso industrial de fermentacin no es asptico, sin embargo, debido a que en etapas anteriores el flujo fue sometido a temperaturas relativamente altas, esta probabilidad es reducida. Para mantener un control sobre la poblacin bacteriana se deber tener el pH en un rango de 4 a 6. En los tanques almacenadores de la levadura se mantendr siempre buenos niveles de oxgeno, lo que asegurar un rpido crecimiento de la poblacin de levaduras. Para el CO2 generado en la fermentacin existe la posibilidad de separarlo, por medio de una columna de adsorcin.

50

Destilacin: El mosto se destila en ms de una etapa. En ellas se utiliza adems de vapor, el calor residual de otras. El pur fermentado contiene en promedio un 12% de alcohol, as como todos los slidos no fermentables del maz y de la levadura. El pur es bombeado a flujo continuo a la columna de destilacin (puede ser ms de una puesta en serie), donde la cerveza hierve, separndose el alcohol etlico de los slidos y el agua. El alcohol deja la columna de destilacin por la parte superior, con un 95% aproximadamente de pureza, mientras que el pur de residuo, llamado stillage, lo har por la parte inferior, para posteriormente ser transportado para su tratamiento como coproducto. 5. Deshidratacin: La destilacin da lugar siempre a una mezcla de un mximo de 96% de etanol y 4% de agua. Esto se conoce como mezcla azeotrpica. El 4% restante de agua se puede quitar de la mezcla con xido de calcio o mezclndose con benceno, obtenindose etanol anhidro. Ambos casos aumentan el costo energtico de produccin, adems de que el benceno es tambin altamente txico y cancergeno. Los poros de los tamices moleculares son permeables al agua, pero no al etanol, ya que las molculas de agua poseen un dimetro menor a los caminos intersticiales de los tamices. Estos tamices tienen un tamao promedio de 3 (3*10-8 cm) y tienen la capacidad de realizar separaciones de mezclas etanol-agua en fase lquida o fase vapor32. Las nuevas tcnicas de purificacin implican el uso de zeolitas, que con su estructura pueden absorber y quitar el agua de la mezcla final. Los tamices moleculares son materiales granulados y rgidos, en forma esfrica o cilndrica. Para elaborarlos se emplean aluminosilicatos de potasio, as como zeolitas o resinas. Esta alternativa que implica considerables ahorros energticos que sus procesos alternativos, adems de evitar el uso de sustancias txicas. 6. Desnaturalizado: El etanol que ser usado como combustible, se debe desnaturalizar agregando un 2% de gasolina, y de esta forma hacerlo no apto para el consumo humano, evitando el pago de impuesto a los alcoholes. 7. Coproductos: Existen dos coproductos principales en el proceso productivo del bioetanol: el dixido de carbono y los granos destilados secos solubles. El32

Lyon et al, 1995, 234

51

dixido de carbono se obtiene en grandes cantidades durante la fermentacin. Para capturarlo, se recoge, se limpia de cualquier alcohol residual, se comprime y vende para ser usado como gasificante de bebidas gaseosas o para congelar en forma de hielo seco. Los granos destilados secos con solubles se obtienen del stillage, el que se centrifuga para separar los slidos suspendidos del proceso de destilacin. Los slidos disueltos se concentran con un evaporador y despus se envan a un sistema de secado para reducir el contenido de agua a aproximadamente un 12%. Se concentra el aceite, protena y nutrientes del maz original, constituyendo un tercio del peso original del maz33. Segn la experiencia extranjera, de una tonelada de maz debiera producirse 409,84 litros de etanol, 321,44 kg de granos destilados secos solubles y 321,44 kg de CO234.

33

Agroenerga, un desafo para Chile Edmundo Acevedo, Stgo, Chile, 2006 US NCGA, 2004. National Corn Growers Association (NCGA)

34

52

3.3. Diagrama de BloquesA continuacin se presenta el diagrama de bloques del proceso descrito en el anlisis 3.2.1:Figura 3.1. Diagrama de bloques del proceso productivo de etanol pro molienda seca

Grano Maz seco

Molienda

Licuefaccin

Sacarificacin

Fermentacin

CO2

Etanol 12%

DestilacinEtanol 96% Configuracin Evaporacin

DeshidratacinEtanol 99% Secado

Desnaturalizacin

DDGS(Granos secos solubles)Fuente: Elaboracin propia

Etanol desnaturalizado

3.4. Tiempo de residencia en los reactoresSer de vital importancia conocer el tiempo de residencia de los reactores, para poder calcular el efecto de las reacciones sobre la cantidad de producto deseado, es decir, para la confeccin de los balances de masa asociados a estos ltimos. Se analizar una metodologa para definir dicho parmetro de diseo.

53

Suponiendo reactores de perfectamente agitados (CSTR) por simplicidad operativa, al plantear el balance de materia ste queda de la siguiente forma35:

=

0

(

)

3.4.1. Cintica de crecimiento celular En el caso de una cintica de crecimiento celular, como lo es la etapa de fermentacin de este proceso, el balance de materia quedara de la siguiente forma si se utiliza la ecuacin de Monod:

=Donde:

0

+

+

P y P0 son las concentraciones de producto en el flujo de salida y entrada del reactor, respectivamente. Para la fermentacin alcohlica, que es parte del proceso descrito en este proyecto, el producto corresponde a etanol. F es el flujo volumtrico. Es constante en el tiempo e igual en la entrada y salida del reactor. S es la concentracin del sustrato limitante en el flujo de salida del reactor. Para la fermentacin alcohlica, el sustrato limitante corresponde a glucosa. Pues las otras fuentes sern adicionadas al proceso en la medida en que sea necesario para poder favorecer el crecimiento de las levaduras. V es el volumen del reactor.max

es la velocidad especfica mxima de crecimiento.

KS la constante del sustrato t es la variable tiempo.

Cuando el reactor alcance su estado estacionario, la variacin de la concentracin de producto ser despreciable:

= 035

Para entender la cintica de la reaccin, ir a Anexos 2.

54

Lo que implica:

0=

0

+

+

Despejando la ecuacin se puede obtener el tiempo de residencia asociado al reactor:

=

= +

0

Donde: Pee es la concentracin de producto en el flujo de salida para el estado estacionario. See es la concentracin de sustrato en el flujo de salida del reactor para el estado estacionario. 3.4.2. Cintica de reacciones enzimticas En el caso de una cintica de reaccin enzimtica, la enzima juega un rol de catalizador, es decir, afecta la velocidad de reaccin sin alterar el equilibrio y sin experimentar ella misma cambio alguno. Reduciendo la energa de activacin necesaria para dar curso a la reaccin en s. Para este caso el balance de materia quedara de la siguiente forma si se utiliza la ecuacin de Michaelis-Menten:

=Donde:

0

+

+

P y P0 son las concentraciones de producto en el flujo de salida y entrada del reactor, respectivamente. Para la hidrlisis enzimtica, que es parte del proceso descrito en este proyecto, el producto corresponde a glucosa. F es el flujo volumtrico. Es constante en el tiempo e igual en la entrada y salida del reactor. CA es la concentracin del reactante A en el flujo de salida del reactor, lo que es anlogo al sustrato. Para la hidrlisis enzimtica de este proyecto, el sustrato corresponde al almidn. V es el volumen del reactor.

55

max

es la velocidad mxima de reaccin a concentracin infinita de sustrato.

Km la constante Michaelis para el sustrato t es la variable tiempo.

Para el proceso productivo del etanol, la sacarificacin y licuefaccin son etapas que tienen asociada una cintica de reaccin enzimtica. Cuando el reactor alcance su estado estacionario, la variacin de la concentracin de producto ser despreciable:

= 0Lo que implica:

0=

0

+

+

Despejando la ecuacin se puede obtener el tiempo de residencia asociado al reactor:

=

=+

0

Donde: Pee es la concentracin de producto en el flujo de salida para el estado estacionario. CAee es la concentracin del reactante A (almidn) en el flujo de salida del reactor para el estado estacionario. 3.4.3. Tiempos de residencia Luego, para poder obtener el tiempo de residencia ser necesario conocer las concentraciones en el estado estacionario tanto del los productos como de los sustratos y reactantes, valores que complican el clculo del parmetro.

56

Para efectos de este proyecto se propone utilizar tiempos de residencia provenientes de la literatura36, especficamente de simulaciones donde se opera a condiciones similares a las que la planta de este proyecto lo hace. Estos tiempos son los siguientes:Tabla 3.2. Tiempos de residencia y tasa de dilucin asociada a la licuefaccin, sacarificacin y fermentacin

Etapa del proceso Licuefaccin Sacarificacin Fermentacin

Tasa de dilucin [1/h] 4 0,2 0,015

Tiempo de residencia [h] 0,25 5 68

Fuente: Kwiatkowski et al, 2005.

3.5. Balances de masaLos balances de masa desarrollados comprenden exclusivamente las operaciones unitarias que forman parte del la lnea central del proceso. El anlisis de los flujos de los sistemas auxiliares y de tratamientos de coproductos se har en base a una propuesta generada por empresas extranjeras especializadas en la venta y operacin de plantas de bioetanol. 3.5.1. Transformacin de almidn a azcares simples y fermentacin Transformacin de azcares: Pre-coccin: En etapa se forma una mezcla en de 70% de agua y 30% de harina de maz. La enzima alpha-amilasa se introducir al proceso a una concentracin de 0,082% (p/p) y en un porcentaje de 0,05% en peso con respecto a la mezcla harina de maz-agua.

36

Kwiatkowski et al, 2005.

57

La enzima glucoamilasa se introducir al proceso a una concentracin de 0,11% (p/p) y en un porcentaje de 0,09% en peso con respecto a la mezcla harina de maz-agua. Para modelar esta operacin, ser necesario conocer la forma de

37 para las

condiciones de operacin ms cercanas a las que efectivamente podra alcanzarse en la planta operando en estado estacionario. Sin embargo, en la actualidad es difcil conocer el valor de este parmetro, pues los laboratorios elaboran enzimas cada vez ms eficientes en la aceleracin de la degradacin de las cadenas de azcares. La actividad de estas enzimas no slo dependern del PH y temperatura a la que operen, la concentracin a la que se preparen y la concentracin del almidn influyen en el valor final de la actividad resultante. Se sabe que de utilizarse las enzimas a las concentraciones antes sealadas y respetando los rangos de operacin de la tabla 3.3, se debera obtener un 99 % de eficiencia en cuanto a la cantidad de almidn que es exitosamente transformado en glucosa38.Tabla 3.3. Rangos de operacin que maximizan la actividad de las enzimas

Enzima Alpha-amilasa Glucoamilasa

Rango PH 5,5 7,0 5,0 6,0

Rango Temperatura [C] Mayor o igual a 90 58 - 60

Fuente: Fichas de productos de la pgina web del laboratorio chino Alibaba (http://enzyme.en.alibaba.com/)

Los clculos asociados a la operacin anteriormente descrita, considerando lo expuesto en la tabla 3.3, se pueden consultar en el anexo 10 Fermentacin Se consider un tiempo de residencia de 68 horas, un sistema isotrmico a 33,5C y la utilizacin de la levadura Saccharomyces Cerevisiae inoculada al 3% p/p, adems de una conversin de los azcares fermentables del 90%.37

Este parmetro se describe en anexo 2. Kwiatkowski et al, 2005.

38

58

Para resolver el balance de masa se tuvo que desarrollar el siguiente anlisis: Anlisis de fermentacin como reaccin: A pesar de su complejidad y de que existen miles de reacciones intracelulares, el crecimiento de las clulas obedece a la ley de conservacin de la materia. Todos los tomos de carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y otros el