Definición y Funcionamiento de Una Instalación de Producción de Bioetanol [PDF]

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MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES

MÓDULO 3: BIOMASA Y BIOCOMBUSTIBLES Actividad 2, unidad 3. Definición y funcionamiento de una instalación de producción de bioetanol

Profesor: ALVARO NARANJO VILLALONGA Alumno: PABLO LABAD RONCHEL

1. Recepción y control de calidad. Nombre e indique brevemente la función de las instalaciones que deberá incluir la planta para actividades previas al almacenamiento de la materia prima, en función de las operaciones que se realizan a la recepción del cereal. Para la recepción y control de calidad la instalación deberá de contar con un laboratorio propio. Debido a la gran cantidad de muestras que se generan es necesario disponer de un laboratorio para analizar la calidad del producto. En el laboratorio se determina la presencia de contaminantes como piedras metales o arena en las muestras, además se analiza la composición del cereal para determinar su contenido en almidón, aceite, proteína, minerales, fibra y agua. Además se establece su densidad aparente y específica. 2. Almacenamiento. Se requiere una capacidad que nos permita funcionar 10 días sin ninguna entrada de cereal. En caso contrario, una festividad prolongada unida a condiciones meteorológicas adversas podría requerir la parada de la instalación, lo que supone un elevado coste. Considerando que la densidad aparente media de los cereales es de 850 kg/m3 , indique:  Capacidad de almacenamiento. En t y en m3.  Dimensione los silos (4) considerando que son tanques cilíndricos de 15 metros de altura. Despejando de la fórmula: V (por silo) = π x r2 x h 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 = 10 𝑑í𝑎𝑠 ∙ 1424

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑚3 = 10 𝑑í𝑎𝑠 ∙ 1424

𝑡 = 14420 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑í𝑎

𝑡 1 𝑚3 ∙ = 16752,941 𝑚3 𝑑í𝑎 0,85 𝑡

Capacidad por silo = 4188,236 𝑚3 4188,236 𝑚3 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜𝑠𝑖𝑙𝑜 = √ = 9,427 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 ≅ 9,43 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝜋 ∙ 15 𝑚 3. Trituración. Indique:  Cantidad de producto a triturar al día: t/día.  Indique la capacidad nominal del equipo de trituración en t/hora teniendo en cuenta que el equipo de trituración solo funcionará 10 horas/día, 5 días/semana.  Justifique, teniendo en cuenta las características del producto a triturar, el tipo de molino a emplear para transformar el producto en harina (molino de cuchillas o martillos). La cantidad de producto a triturar son las 1424 toneladas de capacidad nominal diaria. El equipo de trituración funciona un total de 50 horas en siete días en los que se han de triturar 1424 toneladas al día. Esto equivale a 9968 toneladas a la semana para 50 horas de trabajo.

9968 𝑡 = 199,36 𝑡⁄ℎ𝑜𝑟𝑎 50 ℎ Los molinos de cuchillas tienen el problema de precisar un mayor mantenimiento puesto que las cuchillas se desafilan con el uso y además pueden llegar a romperse por chocar contra elementos extraños de mayor dureza, como una piedra, que puedan entrar en la trituradora junto al cereal. Sin embargo los molinos de martillos se presentan como una mejor opción ya que no tienen filo y la ruptura de la biomasa se produce por la elevada energía mecánica del martillo. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =

Posteriormente a la trituración, existen unos silos de almacenamiento de la harina, desde los que se alimenta la licuefacción, que deben tener capacidad para almacenar la harina consumida durante 5 días (para poder funcionar durante ese periodo en el caso de que el molino sufriera una avería). Este equipo no se dimensiona. 4. Licuefacción. En los tanques de fermentación se va a trabajar con una concentración de sólidos de 150 g/litro (lo que es igual a 0,150 t/m3 o al 15 % de sólidos).  Indique las necesidades de agua en m3 para el proceso de licuefacción, que se lleva a cabo a 1424 t/día de harina.  El resultado obtenido es la cantidad de agua que hay que añadir a la harina para licuefactarla, no es demanda de agua del exterior (río o conducción) ya que parte se recircula del final del proceso en este punto. 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 =

1 𝑚3 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑡 ℎ𝑎𝑟𝑖𝑛𝑎 3 ∙ 1424 = 9493,333 𝑚 ⁄𝑑í𝑎 0,15 𝑡 ℎ𝑎𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑑í𝑎

5. Higienización. Justifique la función del proceso. La higienización es necesaria puesto que en el cereal, además de la levadura necesaria para la producción de bioetanol, existen otras bacterias, microorganismos y levaduras que podrían suponer una competencia para la levadura deseada. Se realiza la higienización mediante un aumento de temperatura de la harina hasta los 120 °C para eliminar la carga microbiana no deseada. 6. Sacarificación. Justifique la función del proceso. La sacarificación es necesaria puesto que la levadura Saccharomyces cerevisiae no puede utilizar como alimento el almidón puesto que sólo se puede alimentar de azúcares de cadena corta, compuestos de a lo sumo 3 glucosas. Por medio de la enzima alfa amilasa se rompe el almidón y se transforma en azúcares de cadena corta a una temperatura de entre 90 y 100 °C.

7. Fermentación. La fermentación se está realizando de forma continua, es decir, en el tanque entra la masa de harina licuefactada, higienizada y sacarificada de forma constante, y de forma constante se extrae del tanque la cerveza.

Nos informan del control de producción que el fermentador está operando con las siguientes condiciones:  Concentración de etanol a la salida: 10 g/l.  Tiempo de residencia: 6 horas. Indique la productividad en etanol: g/(l x h). Valore la producción que se está alcanzando (alta o baja). Valore el dato de concentración de etanol a la salida. Proponga/imagine 3 posibles causas que puedan justificar la situación, explique en qué etapa afectan y cómo lo hacen, y proponga y explique posibles soluciones. 𝑔 10 ⁄𝑙 𝑔 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 = = 1,67 ⁄(𝑙 ∙ ℎ) 6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 La producción de etanol es muy baja, los valores habituales de producción de etanol se sitúan entre 5 y 20 gramos por litro y hora. Este dato está directamente relacionado con la concentración de etanol a la salida, también muy baja, que debería estar entre 30 y 60 gramos por litro. 1. Durante la fermentación alcohólica la concentración de levaduras en el interior del tanque es baja y por tanto no genera una cantidad aceptable de bioetanol. Se debe añadir más levadura para aumentar su concentración de un tanque que se dedique exclusivamente al cultivo de levaduras para mejorar el proceso. 2. Otra posible causa es que durante la higienización no se hayan eliminado toda la carga microbiana necesaria y la levadura no se pueda desarrollar correctamente. Un análisis de la composición tras la higienización evitaría problemas de este tipo. 3. La tercera causa se puede deber a que durante la sacarificación no se han roto suficientes cadenas de almidón y la levadura no dispone de toda la glucosa necesaria para generar etanol de manera eficiente. Se pueden pedir explicaciones a la empresa de enzimas o añadir mayor concentración de estas durante la etapa de sacarificación.

8. Teniendo en cuenta que, por cada 3 kg de cereal, con la instalación funcionando correctamente, se produce 1 litro de bioetanol deshidratado y un 1 kg de subproducto para alimentación animal (pienso o DDGS), indique:  La producción de bioetanol anual de la instalación.  La producción de pienso o DDGS.  Si de 3 kg de cereal obtenemos 1 kg de bioetanol y 1 kg de DDGS, ¿dónde se produce la salida de la masa restante, 1 kg? 𝑡 𝑑í𝑎𝑠 1𝑚3 𝑏𝑖𝑜𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑖𝑜𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 1424 ∙ 330 ∙ = 156666,67 𝑚3 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 3 𝑡 𝑐𝑒𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝐷𝐷𝐺𝑆 = 1424

𝑡 𝑑í𝑎𝑠 1 𝑡 𝐷𝐷𝐺𝑆 ∙ 330 ∙ = 156666,67 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑í𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 3 𝑡 𝑐𝑒𝑟𝑒𝑎𝑙

La cantidad de masa que resta sale en forma de agua, parte al deshidratar el bioetanol y parte al centrifugar la cerveza y deshidratarla. 9. Si quisiera obtener cerveza o algún destilado (whisky), ¿de qué etapa del proceso extraería producto para su elaboración? La cerveza sale del tanque directamente, tras la fermentación alcohólica, sería necesario reducir su contenido en sólidos para el consumo. El whisky, ron, ginebra… salen tras la primera destilación en función de qué materias primas se empleen y de qué aditivos se le añadan después de la destilación. 10. ABENGOA dispone de un capital importante para invertir en un programa de investigación y desarrollo en la producción de bioetanol. Indique dos líneas de investigación en las que sugeriría enfocar el programa (máximo 70 palabras). Una línea de investigación puede estar relacionada con la producción continua y la productividad del fermentador. Mejorando el control de la concentración de las especies de su interior y de los productos se podría optimizar el proceso además de evitar que sustancias contaminantes o contraproducentes estén presentes. Otra línea puede ser la producción de bioetanol de segunda generación a partir de biomasa lignocelulósica en vez de a partir de productos alimentarios como los cereales.

11. Consultando la página web de la empresa Novozymes, justifique el motivo por el que esta multinacional, ajena al mundo de la energía, tiene una importante línea de negocio en bioetanol. Novozymes es una empresa líder mundial en soluciones biológicas, cuenta con las instalaciones de fermentación de enzimas más grandes del mundo y generan más de la mitad de las enzimas que se utilizan en el mundo. Parte de estas enzimas son las que se utilizan en la generación de bioetanol, la enzima alfa amilasa es utilizada en el proceso de sacarificación para romper el almidón. 12. Indique dos aplicaciones a las que destinaría la producción de bioetanol de la instalación. La producción de bioetanol de la planta se podría destinar al uso como biocombustible para los vehículos flexifuel, estos vehículos utilizan etanol E85 que es una mezcla de bioetanol al 85% y un 15% de gasolina reemplazando así a la gasolina con un combustible más limpio. Otra aplicación para el bioetanol podría ser como combustible para la generación de energía eléctrica mediante las pilas de combustible de óxido sólido. 13. Si el precio al que la planta vende el bioetanol fuera de 0,4 €/litro, ¿cuál sería el ingreso de la planta por su venta al año?

Como se ha calculado con anterioridad: 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑏𝑖𝑜𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 156666,67 𝑚3 𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 = 156666,67 𝑚3 ∙

400 € = 62,67 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 € 1𝑚3

Nota. El precio indicado puede parecer bajo si comparamos con el coste actual de la gasolina en España, entre 1 y 1,8 €/l, dependiendo del precio del petróleo. Sin embargo, tenga en cuenta que estamos hablando de venta al por mayor y que aproximadamente el 50 % del precio de venta de la gasolina son impuestos (IVA e impuesto especial de hidrocarburos), por lo que las gasolineras pagan a los fabricantes de la gasolina (refinerías) aproximadamente la mitad del precio. 14. Usted dispone de un vehículo flexifuel y está realizando un viaje. A la entrada de la gasolinera se indica que el litro de bioetanol E85 tienen un precio de venta de 1,4 €/litro, al igual que el de la gasolina. Atendiendo a criterios económicos exclusivamente y para esa decisión en un momento concreto, justifique qué combustible escogería para su vehículo. Estando al mismo precio ambos combustibles escogería bioetanol E85 puesto que generalmente el bioetanol está algo más caro y la gasolina suele estar más barata así que aprovecharía para llenar el depósito de mi vehículo. Precio gasolina actual: 1.25 € Precio bioetanol actual: 1.48 €