Análisis de factibilidad de obtención de bioetanol a partir de diferentes materias primas (página 2)

Para ello se propusieron como objetivo de
este trabajo las
siguientes tareas:

• 1. Estado del arte sobre tecnologías
  convencionales y novedosas de producción de bioetanol
  a partir de diferentes materias primas.

• 2. Análisis de las barreras de las
  tecnologías seleccionadas para su
  implementación en Cuba.

• 3. Definición de las alternativas con
  posibilidades de implementación.

• 4. Desglose detallado de las alternativas (Diagrama
  de bloques, Descripción de las alternativas,
  Dimensionamiento de los equipos, Balance de materiales y
  energía y Estimación de los costos de cada
  etapa. Desglose de los costos que se incluyen en cada
  etapa)

• 5. Análisis del impacto ambiental que genera
  cada alternativa (Residuales que se generan,
  Características de los mismos e Impacto que provoca
  cada alternativa)

• 6. Evaluación económica.

• 7. Análisis de los resultados.

Desarrollo

Se realizó un análisis preliminar para la selección
de las variantes con mayores posibilidades de
implementación en nuestro país, dadas
específicamente por las fortalezas y oportunidades de las
materias primas que utilizan, obteniéndose como resultado
que las variantes tecnológicas a evaluar técnica,
económica y ambientalmente son:

Variante 1: Proceso
convencional de producción de etanol a partir de miel
final.

Variante 2: Proceso de producción de etanol a
partir de miel final, jugo de los filtros y jugo secundario.

Variante 3: Proceso de producción de etanol a
partir de miel final, jugo de los filtros y bagazo.

Análisis técnico

Como se explicó, la primera variante requiere solamente
de miel final; la segunda consistió en obtener alcohol a
partir de miel final, jugos de los filtros y jugo secundario en
las siguientes proporciones: 33 % de ART de miel, 33 % de ART de
jugo de los filtros y 33 % de ART de jugo mezclado y la tercera
tomando con referencia la alternativa 2 valora la posibilidad de
sustituir el empleo de los
jugos secundarios en la fermentación alcohólica por un
hidrolizado de bagazo, corriente que presenta un contenido de
azúcares fermentables y es obtenida de la
hidrólisis enzimática del bagazo,
utilizándose para ello el bagazo sobrante de la
generación de vapor en el proceso azucarero. Esta
consideración se realiza con el objetivo de no desviar la
corriente de jugos secundarios del proceso azucarero, y no
afectar la productividad de
azúcar,
permitiendo además aprovechar el bagazo que se obtiene
como residuo sólido del proceso azucarero, constituyendo
así este empleo de residuos
sólidos una ventaja desde el punto de vista ambiental.
En esta alternativa se mantiene un aporte de la corriente de jugo
de los filtros del 33% y se propone un aporte de ART por parte
del hidrolizado de bagazo del 37 % y un aporte de la miel final
del 30 % para obtener al igual que en las alternativas anteriores
una concentración de ART en la batición de 120
g/l.

En el caso de la segunda variante el proceso
tecnológico no difiere mucho del proceso convencional de
producción de alcohol a partir de la miel final,
ilustrándose como cambio
más significativo la preparación de la materia
prima.

Esta etapa consiste en brindarle al jugo de los filtros el
tratamiento necesario para ser utilizado posteriormente en la
fermentación. Para ello se somete a una etapa de
sedimentación y seguidamente un enfriamiento.

Para la variante 3 el proceso tecnológico solo se
diferencia del de la variante 1en la etapa de preparación
de la materia
prima.

El tratamiento necesario para el jugo de los filtros se
realizará de forma similar al descrito en la alternativa
2.

Para el pretratamiento del bagazo se propone emplear el
método
organosolv seguido de una hidrólisis enzimática,
tecnología
que responde a las características y peculiaridades de
Cuba como
país en vías de desarrollo,
para lo cual se descartaron equipos con gran rigor en las
condiciones de operación de alta presión y
temperatura y
complejidad de sus diseños que resuelven las etapas
críticas de este proceso: el pretratamiento y la
hidrólisis. (Ley, 2006)

. Pretratamiento del Bagazo

Se aplica el método Organosolv empleando etanol como
solvente, el bagazo se mezcla en una relación 5:1
(líquido/sólido) con una solución de
agua y etanol
que además contiene ácido sulfúrico, puesto
que en pruebas
experimentales se ha demostrado que el ácido
sulfúrico es más selectivo a la hemicelulosa que el
hidróxido de sodio, siendo la hemicelulosa la que influye
más negativamente en el proceso de hidrólisis dado
a que ejerce un efecto estérico de las enzimas hacia la
celulosa. Los
componentes anteriormente descritos se mezclan hasta alcanzar una
buena impregnación (durante 10 minutos) en la misma y
seguidamente, se le inyecta vapor a 175 °C, manteniendo una
presión de 7 kgf/cm2 durante 60 minutos, logrando
deslignificar el bagazo bajo estas condiciones. Posteriormente es
llevado al filtro a presión, como parte de garantizar las
condiciones de humedad en la siguiente etapa.

• Hidrólisis de la celulosa:

Se lleva a cabo una hidrólisis enzimática, donde
se obtiene un hidrolizado que debe alcanzar una
concentración de 70 g/l de ART.

Se tomó como base una destilería con una
capacidad de 1000 HL/día y se determinaron las cantidades
de de materias primas requeridas en cada alternativa. En la tabla
se muestran los resultados obtenidos.

Tabla 1: Cantidades de materias primas por
variantes.

Se determinaron además los restantes materiales
requeridos en cada variante y basado en los resultados obtenidos
se procedió al dimensionamiento del equipamiento.

Análisis ambiental

Como resultado del análisis ambiental en cuanto a
generación de residuales se refiere para las tres
variantes seleccionadas se debe señalar que a medida que
disminuye el consumo de
miel final en el sustrato empleado como materia prima los
índices de contaminación del mosto final generado en
la etapa de destilación son menores, lo que implica la
factibilidad
desde el punto de vista ambiental de la sustitución
parcial de la miel final por los jugos de caña.

Análisis económico

Se realizó un análisis de factibilidad
económica donde se determinaron el costo total de
inversión y el costo total de
producción para cada variante. Los resultados se muestran
a continuación.

Tabla 2. Costo total de inversión y el costo total
de producción para cada variante.

Se determinó además los indicadores
dinámicos VAN, TIR y PRD, lo que permitió contar
con una evaluación
más precisa. La tabla siguiente muestra los
resultados.

Tabla 3. Valor de los
indicadores de factibilidad.

Análisis
de los resultados

Analizando el aspecto técnico se puede inferir que la
variante 1 presenta un proceso tecnológico que es bien
conocido en Cuba, del cual se tiene una basta experiencia, y en
el mismo se alcanza un buen rendimiento, presentando la gran
ventaja que esta materia prima fermenta directamente. Sin embargo
a esto se enfrenta la disponibilidad cada vez menor de la miel
final, dada por las crecientes aplicaciones y demandas de esta
materia prima en otras esferas.

Por otra parte la variante 2 requiere de un control
más riguroso, específicamente se debe prestar una
especial atención al control del pH en la
fermentación. Además aunque igual que en la
variante anterior las materias primas logran una
fermentación directa se requiere de un acondicionamiento
del jugo de los filtros para llevarlo a la etapa de
fermentación, lo que implica adicionar al proceso las
operaciones en
este pretratamiento, que incluyen la sedimentación del
jugo de los filtros y su posterior enfriamiento, lo que
evidentemente conlleva a incrementar el número de equipos
con respecto a la variante 1.

Analizando la variante 3 es muy importante señalar que
esta variante con respecto a las anteriores presenta la
desventaja que el bagazo no fermenta directamente, requiriendo
así de un proceso de pretratamiento previo a través
del método organosolv, y posteriormente de una
hidrólisis enzimática para poder liberar
los azúcares presentes en el bagazo, lo que trae consigo
incluir equipos adicionales, con requerimientos técnicos
específicos que permitan llevar a cabo las operaciones
mencionadas anteriormente. Además otro inconveniente de
esta alternativa lo constituye los grandes volúmenes de
agua que se consumen en el pretratamiento, lo que hace que el
consumo total de agua en esta alternativa se incremente en 3.13
veces con respecto al consumo total de agua de la variante 1 que
muestra el proceso convencional a partir de miel final. Se debe
destacar que esta tecnología aún no es una
tecnología madura en nuestro país, sin embargo en
los últimos tiempos se han venido realizando
múltiples estudios acerca de la posibilidad de viabilizar
esta tecnología que considera el bagazo como una materia
prima para la obtención de etanol, justificados por su
amplia disponibilidad y bajo costo, por lo que no obstante sus
desventajas técnicas
resulta prometedora y de ninguna manera descartable en los
estudios que se hagan para intensificar la producción de
etanol en nuestro país.

Respecto al impacto ambiental
se puede señalar, como resultado del análisis
ambiental realizado, que la variante1 posee el mayor potencial
contaminante y se estima que la variante 3, en orden decreciente
de contaminación, ocupe un lugar intermedio ya que a pesar
que el pretratamiento organosolv se considera una
tecnología limpia, ello implica la generación
adicional de residuales con respecto a las restantes variantes,
además esta alternativa emplea un % de miel final en la
fermentación menor que el empleado en la variante 2, pero
que realmente no difiere mucho de ese valor.

Para analizar el aspecto económico considerando los
resultados del costo de materiales por etapa para cada
alternativa obtenidos se procedió a graficar los mismos.
Estos se muestran a continuación:

Figura 1 Costo de materiales por etapas en
cada variante.

La variante que presenta el mayor costo por concepto de
materias primas y materiales requeridos es la # 3, donde como se
muestra en la figura 1 las etapas más costosas de este
proceso son la fermentación y el pretratamiento del
bagazo, dado este último principalmente por el costo de
las enzimas en la etapa de hidrólisis enzimática,
el cual representa el 31,21 % del costo total de las materias
primas y materiales requeridos en esta alternativa.

La tabla 2 muestra que las variantes 1 y 2 son las que
presentan el menor costo de inversión, lo cual está
dado por el hecho de que estas alternativas son las que requieren
las menores cantidades de quipos para llevar a cabo el proceso
tecnológico previsto, no ocurriendo así en la
variante 3, para la cual el Costo Total de Inversión es de
38866990,71 $, valor este que asciende a más del doble con
respecto a las restantes alternativas, debido al costo del
equipamiento adicional que es necesario instalar para efectuar
las operaciones de pretratamiento del bagazo.

Se debe destacar que del análisis anterior se deriva
que la variante 1 es la que presenta el menor Costo Total de
Inversión, siendo este de 12180468,51$.

Como se conoce el costo total de producción depende del
costo de la materia prima, los requerimientos, el costo del
equipamiento y a su vez del costo total de inversión. Al
respecto se obtuvo que los mayores costos se
presentan en las variantes 1 y 3, siendo esta última la
que presenta el mayor. Este elevado costo de
producción en esta tercera alternativa se debe
principalmente al elevado costo de los materiales utilizados en
la etapa de pretratamiento de bagazo, además se encuentra
influenciado por su elevado costo total de inversión
debido al incremento del número equipos para llevar a cabo
este pretratamiento. En el caso de la variante 1 que como se ha
dicho valora el proceso tradicional de obtención de etanol
a partir de miel final se debe señalar que su costo total
de producción esta potencialmente influenciado por el alto
precio que ha
alcanzado esta materia prima en la actualidad.

Así se pudo comprobar que el menor costo total de
producción lo presenta la variante 2 con un valor de
8176150.961 $.

De forma general las figuras 3.8 y 3.9 indican que las
variantes 1 y 2 no difieren significativamente en cuanto al costo
total de inversión obtenido para cada una, sin embargo con
respecto al comportamiento
del costo total de producción para estas variantes se pudo
comprobar que existe una marcada diferencia entre ambas, siendo
para el caso de la variante 2 mucho menor, lo que justifica que
sea en esta segunda variante donde se logra alcanzar el menor
costo unitario del producto
(0,273 $/Litro).

Con respecto a los indicadores dinámicos de rentabilidad
determinados se pudo comprobar que la variante 2 es la que
presenta el menor valor en cuanto al periodo de
recuperación de la inversión, siendo el mismo de
1,39 años, así como los mayores valores del
VAN y la TIR.

Por tanto del análisis económico se selecciona
la variante 2 como la mejor alternativa.

De acuerdo con los análisis técnico, ambiental y
económico realizados anteriormente la variante 2 en las
condiciones evaluadas constituye la variante más factible
a implantar en nuestro país.

No obstante no se pueden desaprovechar las potencialidades que
ofrece la variante 3, que en las condiciones evaluadas no resulta
factible, pero que la materia prima bagazo constituye un material
excelente en este sentido, ya que resulta ventajosa como se dijo
anteriormente desde el punto de vista de la disponibilidad y su
bajo costo, además de que su utilización contribuye
a la eliminación de este residuo sólido en la
industria
azucarera.

Conclusiones

• Se seleccionaron como las variantes de producción
  de alcohol a partir de las materias primas que presentan las
  mayores fortalezas y oportunidades en nuestro país
  para evaluar técnica, económica y ambiental las
  siguientes variantes:

Variante 1: Proceso convencional de producción de
etanol a partir de miel final.

Variante 2: Proceso de producción de
etanol a partir de miel final, jugo de los filtros y jugo
secundario.

Variante 3: Proceso de producción de
etanol a partir de miel final, jugo de los filtros y bagazo.

• La variante 3 que utiliza un hidrolizado de bagazo como
  parte de sus materias primas no se considera una alternativa
  factible, pues la etapa del pretratamiento del bagazo
  encarece el proceso, lo que hace que la misma no sea
  rentable.

• La alternativa 1 que considera la miel final como materia
  prima tecnológicamente se considera factible, pero se
  encuentra limitada por la disponibilidad de la misma.

• La variante 2 que prevé la obtención de
  alcohol a partir de miel final y jugos de caña
  presenta los menores índices de
  contaminación.

• Económicamente la variante 2 presenta los
  indicadores más favorables.

• Se considera la variante 2 que valora el proceso de
  obtención de alcohol a partir de una mezcla de miel
  final, jugo de los filtros y jugo secundario como la
  más factible a implantar.

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Autora:

Ing. Yadira Barceló
Martín

Tutores: Dra. Meilyn González
Cortés

DrSc. Erenio González Suárez

Consultante: MSc. Leyanis Mesa Garriga