PRODUCCIÓN DE ETANOLDocente:Alumnos :

Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo”

Diseño de Bioprocesos y Biotecnología Microbiana

Dr. Carlos E. Villanueva Aguilar.Rómulo Aycachi IngaDany Luz Piscoya Purihuamán

Lambayeque – Setiembre 2008

PRODUCCIÓN DE ETANOL

- Dany Luz Piscoya Purihuamán- Rómulo Aycachi Inga

INTEGRANTES:

¿Qué es el etanol? Alcohol, líquido, incoloro e

inflamable También como alcohol etílico. CH3-CH2-OH Bebidas, combustible,

disolvente, anticongelante, farmacéutica.

P. E.: 78 ºC P. F.: -144 ºC M. M.: 46.07 g/mol Densidad: 0.789 g/mol LD50: 7.060 mg/Kg oral Tº inflamab.: 13 ºC

Hidratación de etileno. Fermentación Act. Enz. sobre jarabesazuc.

Destilación y rectificación del petróleo (MTBE)

BIOETANOL

Fermentación Alcohólica

(anaerobiosis)

Biocombustible

AzúcaresAgricultura

Gasohol

Alconafta

E10, E85 ETBE

Biomasa Desechos agrícolas

Celulosa

Trigo

Maíz

Caña azúcar

Petróleo

Importancia

Agotamiento

Precios

Contaminación

Emisiones CO2

Derrames

CalentamientoGlobal

Dependencia Económica

Crisis energética

Clasificaci

ónmund

ial

País 2006 2005 2004

1 Estados Unidos

4.855 4.264 3.535

2  Brasil 4.491 4.227 3.989

3  China 1.017 1.004 964

4  India 502 449 462

5  Francia 251 240 219

6 Alemania

202 114 71

7  Rusia 171 198 198

8  Canadá 153 61 61

Producción anual de etanol por país (2004-2006)[1]

Quince mayores países productores(millones de galones internacionales, todos los grados de etanol)

9  España 122 93 79

10  Sudáfrica 102 103 110

11  Tailandia 93 79 74

12  Reino Unido 74 92 106

13  Ucrania 71 65 66

14  Polonia 66 58 53

15  Arabia Saudita 52 32 79

Producción mundial total

13.489 12.150 10.770

Brasil: Principal productor (caña)315 mill. TM (⅔ para OL)

300 destil. y + de 225 ingenios

Combustibles: Mezcla de gasolina con etanol

OBLIGATORIA %

Tailandia 10 Por ahora en Bangkok

Suecia 5 Todo el territorio nacional

China 5 Por ahora en 5 provincias

Filipinas 5 Todo el territorio nacional

Francia 5 Se para el 2010

Japón 3 Es opcional, pero le apuntan al 10%

Bolivia 25 Sin fecha

Argentina 5 Se espera para el 2011

Vehículos que utilizan bioetanol:

Renault Megane Ford Focus Ford Focus C-Max Volvo C30 Volvo S40 Saab 9-5 BioPowerSaab: 9-X BioHybrid (Concept Car)Ferrari F430 Spider Bio Fuel

Ventajas y desventajas de los biocombustibles

VENTAJAS DESVENTAJAS

No incrementa niveles de CO2 en la atmósfera.

Costo de producción casi dobla al de la gasolina.

Proporciona fuente de energía renovable.

Se necesitan grandes espacios de cultivo.

Revitalizan economías rurales, generan empleo.

Potenciación de monocultivos intensivos (uso de pesticidas y herbicidas)

Se podrían reducir los excedentes agrícolas.

Combustible precisa de una transformación previa compleja.

Se mejora aprovechamiento de tierras de poco valor agrícola.

Su uso se limita a un tipo de motor de bajo rendimiento y poca potencia.

Se mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales.

Principales M.O. Productores de Etanol

Bacterias: Zymomonas mobilisZymomonas mobilis Clostridium

acetobutylicum Klebsiella oxytoca Escherichia coli

Levaduras: Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae Pichia stipitis Pachysolen tannophilus Candida shehate

Zymomonas mobilis

Bacilos Gram ( - ) Pares

Móviles (1 – 4 flagelos)

Colonias en ½Standar

Brillantes

Blancas o cremas

Ǿ 2 mm

Anaerobio facultativo Pérdida espontánea

Borde regular

Aroma “frutado”

Otras características

Fermentación

Glucosa

Fructosa

Agua, suelo, plantas

No cápsula

No espora

Oxidasa, Indol, RM,NO3, Tween 80 Negativo

Sacarosa

Características Bioquímicas:

Vía Entner – Doudoroff Degradación de glucosa en

anaerobiosis Mol y ½ de OL/Mol glúcido

ferm. ↓ Ac. láctico, trazas

acetilmetilcarbinol. ½ con 2% de extr. levadura,

20% glucosa. pH óptimo: 7.3 (a 30 ºC). Actividad de catalasa. Pantotenato, biotina (indisp.)

Z. mobilis en agar LMDA

Vía de Entner - Doudoroff

x 1Mol de sust. consumido → 2Mol NADH.

Rendimiento en ATP → 1 x Mol de hexosa degradada.

No posee sist. De transp. (P- enol piruvato glucosa P- transferasa, permeasa).

Sí: sist. transp. x difusión facilitada.

Hábitat limitado a entornos con

↑[azúcar].

Asimilación de Gluc. Con-trolada por el balance ener-

gético de la célula

Fructoquinasa fuertementeinhibida x Gluc.

↑[gluc.] inhibe la actividad deHidrólisis de la

sacarosa

Tipo competitivo

Influencia del O2

Bact. no estrictamente anaerobia.

Aireación disminuye rendimiento en etanol.

↓ [Ac. láctico] qglucosa y producción de

Ac. Acético. Efecto Pasteur ausente. Rendimiento Yx/s no

en aerobiosis.

Inhibición por Etanol

Tolerancia mayor al etanol. Producción etanol a []s ↑ a

13% (p/v). Glucoquinasa y

fructoquinasa no inhibidas por etanol.

Resistencia por rearreglo en:

– Membrana– Fosfolípidos– Hopanoides– Proteínas

Saccharomyces cerevisiae

Levadura de cerveza

Hongo unicelular Levadura

Tolera ↑ [etanol]

Vino Cerveza

Pan

Etanol Biomasa

Utilidades

Osmotolerante

↑ [azúcar]

Reino : Fungi

Filo : Ascomycota

Clase : Hemiascomycetes

Orden : Saccharomycetales

Familia : Saccharomycetaceae

Subfamilia : Saccharomycetaidae

Género : Saccharomyces

Especie : S. cerevisiae

No exigente nutricionalmente

Invertasa

Características generales de las Levaduras

Dimensiones (micras) 4 – 8

Tiempo de duplicación (horas)

1 – 3

pH (rango óptimo) 4.5 – 5.5

Nitrógeno (%) 7.5 – 8.5

Proteína (%) 35 – 45

Ácidos nucleicos (%) 6 – 12

Carbohidratos (%) 30 - 45

Necesidades nutricionales mínimas para S. cerevisiae

Fnte. carbono: AzúcaresFnte. Nitrógeno: sulfato amónico, Úrea o aminoácidosBiotina (B8 o Vit. H)Sales y elementos traza

Color: crema o blanco

Apariencia: húmedoy brillante

Bordes: irregu-lares

25 a 30 ºC

Producción de as-cosporas

Si hay requer. nutr. adecuados

Ciclo sexual de S. cerevisiae

Bioquímica de la formación de Etanol

Aerobiosis: oxidan azúcares simples (G, F) → CO2 y H2O

Vías: Embden Meyerhof Parnas, luego Ciclo Krebs.

70% de glucosa → piruvato (Glicólisis).

30% glucosa→ Vía Pentosa –P

Anaerobiosis: Gluc. oxidada x vía glicolítica y luego x Ferm. OL

Producción: Etanol, CO2, 1 ATP

Oxidación Gluc. x Vía Glucólisis → Piruvato

Piruvato descarboxilado x 1. → acetaldehído.

Acetaldehído reducido a Etanol x 2.

También formación de Glicerol x reducción de dihidroxiacetona –P x 3. → glicerol 3 –P.

Glicerol 3 –P hidrolizado hasta Glicerol x 4.

1. Piruvatodescarboxilasa2. OL deshi-

drogenasa

4. Glicerol 1 - fosfatasa

3. DihidroxiacetonaP- reductasa

En presencia de O2 ó cuando no hay más azúcar disponible: Levaduras pueden oxidar etanol → acetaldehído (x OL deshidrogenasa). Luego, nuevamente oxidado hasta acetato (x aldehído deshidrogenasa)

Acetato

2H

AldehídoDeshidrog.

Reacciones comprendidas en la fermentación alcohólica

C6H12O6 + 2Pi + 2 ADP → 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2 ATP + 25.5 kcal

180g 92g 88g

Azúcar - Hexosa Etanol Anh. carbónico

Rx exergónica

Peso %

Etanol 48.4

Anh. Carbónico 46.6

Glicerol 3.3

Ac. Succínico 0.6

Materia celular 1.2

TOTAL 100.1

Rendimiento ideal de Pasteur

100 Kg azúcar-hexosa → 51.1 Kg Etanol + 48.9 Kg CO2.

1g glucosa

0.511g Etanol

0.489g CO2

GAY LUSSAC

En realidad Yp/s

diferente del ideal

Producción de otrosmetabolitos

Mantenimiento

Rendim. Experim.90 – 95% del teórico

(0.469-0.485 g/g)

Rendim. Industrial87 – 93% del teórico

Compuestos carbonados

utilizables por

S. cerevisiae

D- glucosaD- galactosa

ManosaFructosaSacarosaMaltosa

MelobiosaMelecitosa

TrealosaRafinosa

MaltotriosaDesoxirribosa

D- manitolEtanol

D- glucitolAc. láctico

Materia prima para producción de bioetanol

Principales fuentes actualesde producción de Bioetanol

a nivel mundial

Levaduras

Invertasa

Zimasa

Efecto Pasteur

Levaduras metabolizan azúcares en aerobiosis y anaerobiosis.

Aerobiosis: > rend. celular. Para un mismo rendimiento

celular: consume < azúcar en aerob. q’ en anaerob.

Aerob. ↓ fermentación.

Competencia entre piruvato descarboxilasa (ferm. – baja afinidad x piruvato) y piruvato deshidrogenasa (resp. – gran afinidad)En S. cerevisiae este efecto o

bien está ausente o tiene una amplitud muy débil.

Se refiere a la inhibición de la Glicólisis debido a la presen-cia de oxígeno.

azúcar en gr./l Alcohol formado en 2 meses

370 8.6

420 6.3

470 5.9

550 3.4

750 0

Efecto Crabtree

Se refiere a la inhibicion del consumo de O2 x ↑[glucosa].

Algunas levaduras fermentan en presencia de O2, aun teniendo cadena respiratoria.

Para evitar producción de etanol en condiciones aerobias → cultivo en Fed - Bach

Proceso de Producción de Bioetanol

Procesamiento de Diferentes Materias Primas

Procedimiento para la obtención de

etanol

Acondicionamiento de las materias primas

Hidrólisis. Fermentación de

azucares. Destilación

BIOETANOL Es un alcohol elaborado de fuentes renovables que

sigue un procedimiento de fabricación similar al de la cerveza:

O mediante la fermentación directa de productos azucarados:

Los principales objetivos de la producción de bioetanol Son: Preparar mezclas con gasolina en lugar de otros aditivos

como el ETBE (Etil terbutil éter) o el MTBE (Metil terbutil éter) en proporciones superiores al 5%.

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

Suministrarlo como materia prima en la producción del ETBE.

BIOETANOL

Materias Primas Las principales fuentes

actuales de producción de bioetanol a nivel mundial son:– Maíz– Yuca– Remolacha– Sorgo Dulce– Caña de Azúcar

Producción de alcohol a partir de Maíz

Producción de Etanol de Yuca

Producción de Etanol de Yuca (continuación)

Producción de Etanol de Remolacha

Francia es uno de los países que ha desarrollado tecnología para obtener etanol de remolacha, después de establecido el Protocolo de Kyoto.

Se obtienen 0,2 litros de etanol/kg de remolacha.

Producción de Etanol de Sorgo Dulce

El grano de sorgo es rico en almidón y es uno de los cultivos óptimos para otras aplicaciones industriales.

Se obtienen 0,14 litros de etanol/kg de sorgo dulce.

Producción de Etanol a partir de la Caña de Azúcar

Se obtienen 0,085 litros de etanol/kg de

caña de azúcar. Actualmente, Brasil es el

principal productor mundial de etanol de caña de azúcar.

Produce alrededor de 315 millones de toneladas de caña , y cerca de 2/3 de esta es utilizada para la producción de etanol.

Rendimiento de Cultivos en la Producción de Alcohol

Principales Productores de Bioetanol en el Mundo (2005)

Complejo Agroindustrial

Impacto Ambiental

Proceso de Fermentación del Etanol

Mecanismo de Conversión: Gay-Lussac C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

100kg = 51.1Kg + 48.9Kg Hexosa Etanol CO2

Composición de la Melaza de Caña

COMPONENTECOMPOSICION

(%)Agua 20

Glucosa 35

Sacarosa 7

Levulosa 9

Otras sustancias reductoras 3

Otros carbohidratos 4.1

Cenizas 12

Compuestos nitrogenados 4.5

Compuestos no nitrogenados 5

Ceras, esteroides y esterofosfolípidos 0.4

Propiedades Físico-Químicas de la Melaza

pH: Las melazas de cañas de azúcar son ligeramente ácidas 5.5 – 6.5 Ácidos Alifáticos. 4.5 – Acido sulfúrico.

Densidad: Grados Brix 24º Brix.

Nutrientes: = 85% del maíz en grano.

0.2g de Urea x 1L de melaza

Saccharomyces cereviseae Levadura de excelencia para la producción de Etanol → Industrial → Fácil manipulación y Recuperación.

Proceso Productivo del Etanol• Etanol (alcohol etílico) producido

x fermentación de azúcares que están en productos vegetales.

• Cereales, caña de azúcar, remolacha o biomasa (combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa).

• Dependiendo de su fuente de obtención, su producción implica fundamentalmente:

• Proceso de separación de los azúcares.

• Fermentación y destilación de las mismas.

Cadena Productiva del Etanol Biocarburante

Biorreactor

Instalación piloto de 100 L.

LEYENDA

A: Bioreactor de fermentación. B y C: Recipientes de

almacenamiento de ácido y de base respectivamente.

D Recipiente de recolección de levaduras y vinasas para el reciclaje.

E: Decantador. Mn: Recipiente de

almacenamiento de melazas. F: Válvulas automáticas. G: Intercambiador de calor para

el calentamiento del caldo de fermentación.

H: Intercambiador de calor para el enfriamiento de vinasas.

J: Recipiente de recolección de vinasas.

K: Recipiente de recolección del caldo de fermentación.

L: Columna de destilación. M: Bomba para la crema de

levaduras. N: Bomba de alimentación a la

columna de destilación. O: Bomba de reciclaje de

levaduras. P: Bomba para el reciclaje de

vinasas. Fm: Flujo de melazas. Fe: Flujo de agua. Fair: Flujo de aire. CO2: Flujo de dióxido de

carbono. Fv: Flujo de vinasas. Pef: Flujo de etanol.

¡¡¡GRACIAS POR SU

ATENCIÓN!!!

REFERENCIAS: Apuntes Varios: Capítulo 14: Metabolismo de Glucosa. Obtenido el 12 de

agosto de 2008 en http://marc.pucpr.edu/facultad/santos/Trabajos/611/bio611/capitulo_14.pdf

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