Centro tecnológico Cartif

Proyecto PSE On Cultivos. Sub-Proyecto AGROBIOL

Estudio de viabilidad de la producción y utilización del bioetanol a partir de nuevos cultivos energéticos azucarados (Agrobihol)

Objetivos

Optimización del proceso completo de producción de bioetanol a partir de tallos de Helianthus tuberosus L. así como el desarrollo de su adaptación posterior a procesos industriales.

Los objetivos específicos del subproyecto se pueden resumir en los siguientes puntos:

• Determinación de las condiciones óptimas de extracción de la inulina y FOS mediante difusión continua en contracorriente a partir de los tallos de Helianthus tuberosus conservados de diferente manera, empacados, deshidratados o en verde. Evaluación de los rendimientos globales del proceso y mejora mediante modificación de las variables de operación y la incorporación de etapas posteriores de prensado de la biomasa residual.
• Evaluación de las condiciones de clarificación de los jugos azucarados obtenidos mediante filtración tangencial para la eliminación de los restos sólidos, fibra y proteínas floculadas presentes en el jugo bruto. Estudio de la influencia de la presencia de estos restos en las etapas de fermentación posteriores.
• Estudio comparativo del proceso de hidrólisis de la inulina para la obtención de azúcares fermentables mediante tratamientos ácidos a temperatura elevada en tanque a presión, método de hidrólisis enzimática mediante la utilización de enzimas inulinasas (exo y endo), determinando los rendimientos de ambas opciones, la aparición de compuestos indeseables y evaluando la economía del proceso.
• Optimización del proceso de fermentación en planta piloto mediante la utilización de levaduras seleccionadas Saccharomyces y comparación técnico-económica entre el proceso de hidrólisis-fermentación o el proceso alternativo de fermentación directa de inulina como sustituto a las dos etapas indicadas.
• Destilación del jugo azucarado, concentración de las vinazas de destilación y optimización del proceso de secado en spray de las vinazas concentradas, como producto para alimentación animal.
• Análisis de los residuos biomásicos del proceso de extracción, como fuente energética para el aporte térmico a proceso. Optimización del proceso de combustión en caldera de biomasa para aporte energético a planta piloto.
• Evaluación técnico-económica del proceso, análisis de consumos energéticos y costes de producción en planta piloto. Evaluación de su posible adaptación a nivel industrial.

Estado del Arte e interés del subproyecto. Antecedentes.

Es evidente que el desarrollo del subproyecto supone un impulso importante a dos sectores de especial importancia a nivel nacional, como es el agrícola y el de producción de bioetanol. Como respuesta a los problemas detectados con una importante reducción de las cuotas de producción de azúcar o reducción de la rentabilidad de algunos cultivos, se da la alternativa del desarrollo de nuevos cultivos energéticos, cuya rentabilidad viene asociada a un coste de mantenimiento relativamente bajo y a una demanda que se espera creciente por parte de empresas productoras, como Abengoa. Así mismo, ante la crisis de los precios del cereal, y su consecuencia directa sobre la producción de bioetanol en las fábricas españolas, es de vital importancia convertir a España en productor de un cultivo que haga rentable la producción de bioetanol, como puede ser la pataca, para dar una alternativa al cereal, base actual para la producción de este biocarburante.

Así mismo, el hecho de asegurar la rentabilidad del proceso, sumando el uso de la biomasa residual obtenida al suministro energético de la planta, permitirá, a su vez conseguir un producto mucho más competitivo a nivel Europeo.

Antecedentes

Previo al presente Proyecto, se han realizado distintos proyectos de I+D referentes al aprovechamiento de tubérculos y tallos deshidratados de Helianthus tuberosus, como fuente de inulina para la producción de bioetanol. Dentro de este marco de desarrollo, se han optimizado distintas etapas a escala de laboratorio de extracción de azúcares a partir de tubérculos cortados en cosetas y de tallos cortados y desfibrados. Hay que tener en cuenta que la extracción de los azúcares a partir de tallos, suele obtener unos rendimientos menores que en el caso de la utilización de tubérculos, por lo que se ha hecho necesario la optimización del proceso de extracción, incrementando la relación sólido-extractante, así como un tratamiento en un molino desfibrador previo a la realización de la difusión.

Así mismo, se han optimizado a escala de laboratorio los procesos de hidrólisis ácida y enzimática de la inulina, usando en este segundo caso enzimas inulinasas (mezcla de exo y endo inulinasa). De esta forma se obtiene la base para el desarrollo a escala piloto posterior de las distintas etapas de procesado hasta la obtención óptima del bioetanol. En el proceso de fermentación, se ha seleccionado las levaduras más adecuadas y de mayor rendimiento para el procesado de la inulina y FOS hidrolizados, obteniendo rendimientos elevados en períodos de tiempo ajustados y por otro lado, se ha desarrollado a escala de laboratorio el proceso de fermentación directa de la inulina sin hidrolizar para la obtención de bioetanol. De esta forma, se tienen las bases para evaluar y optimizar el proceso, ya sea mediante una u otra alternativa.

A nivel fermentativo, hay que tener en cuenta la necesidad de una correcta selección de la cepa de levadura más adecuada, tomando como base la reducción de los costes de operación, un elevado rendimiento en producción de bioetanol y la reducción de los tiempos necesarios para finalizar la misma. Dentro de las alternativas propuestas en el Proyecto, la utilización de inulina y FOS hidrolizados formando fructosa y glucosa ya ha sido la base de varios estudios de selección por parte de la Fundación CARTIF, considerando que, el hecho de que exista un 80% de fructosa frente a un 20% de glucosa es un factor influyente en el tipo de levadura a utilizar. Como ejemplo, se puede indicar que una de las cepas con mejor resultado obtenido ha sido del tipo Saccharomyces uvarum.

Producción del bioetanol

TAREA II 1. Optimización del proceso de extracción continua en planta piloto a partir de tallos frescos, deshidratados y ensilados de Helianthus tuberosus.
Se realizarán pruebas de extracción por difusión continua a partir de tallos Helianthus tuberosus. Estos tallos se procesarán de tres formas distintas, en fresco, ensilados y deshidratados. Se evaluarán y optimizarán las extracciones a partir de los tres tipos de materia prima, dado que la variación en la humedad y en el porcentaje de azúcares presente por kg de materia prima, influye directamente sobre los rendimientos de la extracción.
Por otro lado, considerando la extracción de la sacarosa a partir de la caña de azúcar, como dato base para la determinación de la viabilidad del proceso de extracción, se ha conseguido a nivel industrial una media del 82-85 % de rendimiento de la extracción de los azúcares mediante prensado en molinos de rodillo junto con una imbibición final. En el sistema propuesto, en vez de realizar la extracción mediante prensado en rodillos, que no se podría aplicar a materias primas deshidratadas, se ha optado por un sistema de difusión en contracorriente, con un prensado final del bagazo residual. A pesar de ello, el porcentaje de fibra presente en los tallos, de forma similar a la caña de azúcar, dificulta la extracción, por lo que se pretende necesario el paso por un molino desfibrador previo a la entrada en difusión.

Se deberá optimizar la extracción en difusión, llegando a un compromiso con respecto a la extracción simultánea de interferentes que pudieran afectar al sistema en etapas posteriores. Así mismo, el prensado final del bagazo de salida de difusión, permitirá reducir el consumo global de agua en el proceso de extracción, he incrementar los rendimientos de la misma, si bien será necesario definir el tipo de prensado y la presión a ejercer para evitar una extracción elevada de compuestos interferentes. Con este prensado se conseguirá reducir la humedad de la biomasa de salida, lo cual facilitará su secado posterior para combustión en caldera de biomasa si es el caso.

Como variables a optimizar en planta piloto se establecerán las más importantes, como la relación materia prima y extractante, el tiempo de residencia, el pH del extractante, la temperatura del sistema. De estas, se podrán acotar los rangos de operación para reducir el tiempo de optimización necesario. La planta piloto, tendrá la capacidad para la obtención, en continuo de 100 - 200 L/h de jugo azucarado obtenido por difusión en contracorriente, así como el jugo de prensado de la pulpa o bagazo de salida de difusión.

TAREA II 2. Desarrollo del proceso de clarificación de jugos de Helianthus tuberosus mediante filtración tangencial a escala piloto y evaluación de la influencia de la misma en la etapa de hidrólisis.

Una vez optimizado el proceso de extracción por difusión según el tipo de materia prima, se deberá realizar la clarificación del jugo, eliminación de restos sólidos de fibra, exceso de proteínas, etc. Esto será necesario para reducir problemas posteriores en la etapa de hidrólisis de la inulina, dado que una de las alternativas en la hidrólisis, será el procesado a alta temperatura y pH ácido, lo cual podría provocar incrustaciones y ensuciamiento en tanques y tuberías, así como la aparición de hidroxi-metil furfural (HMF), que actuaría de tóxico en la etapa de fermentación. Este efecto se podrá reducir mediante la eliminación de estos sólidos, y controlando a su vez la posible degradación de los azúcares durante el almacenamiento de la materia prima.
El análisis de la materia prima, de su estado y de la posible degradación de fibra y azúcares es muy importante para determinar la posible aparición posterior de HMF durante la etapa de hidrólisis ácida.

El procesado en planta piloto se realizará en un equipo de filtración tangencial con un cartucho de filtración, con capacidad para micro y ultra filtración, según el cartucho seleccionado, con capacidad para la salida de 100 L/h en continuo de jugo clarificado y una capacidad de bombeo por cartucho de 5.500 L/h.

TAREA II 3. Evaluación y optimización a escala piloto de la hidrólisis de la inulina. Estudio comparativo de la hidrólisis ácida y la enzimática.

Teniendo en cuenta que la inulina y los FOS son azúcares no fermentables de forma directa por levaduras tipo Saccharomyces cerevisiae, se hace necesaria la ruptura de estos azúcares para la obtención de glucosa y fructosa o la fermentación directa de la inulina con levaduras especificas. En el caso de utilizar levaduras tipo Saccharomyces, se desarrollarán y evaluarán dos métodos de hidrólisis, ácido y enzimático, optimizando ambos casos y obteniendo un resultado comparativo en lo que respecta a rendimientos de operación, aparición de inhibidores o costes económicos. Junto con los distintos procedimientos, se podrá determinar la necesidad o no de realizar una clarificación previa de los jugos y determinar su efecto sobre la hidrólisis ácida o enzimática.

TAREA II 4. Control y optimización a escala piloto del proceso de fermentación de la inulina hidrolizada y fermentación directa de la inulina sin hidrolizar.

Una vez realizada la hidrólisis de los jugos, se establecerán varias alternativas de fermentación que han de evaluarse. Es evidente que, en función del tipo de hidrólisis o del tratamiento previo realizado, la fermentación deberá ser modificada, tanto en tipo de levadura, como en tiempo de procesado, obteniendo con ello distintos rendimientos en producción de etanol que han de establecerse. Junto con la optimización a escala piloto del proceso de fermentación, se podrá evaluar la viabilidad del procesado en continuo (en cascada) o en batch. Para ello, se cuenta con un sistema de fermentación piloto formado por dos tanques pulmón de 550 L y cinco tanques de fermentación de 100 L cada uno, con un control completo de temperatura mediante encamisado, sondas de temperatura y conexión a grupo de frío, así como de agitación o tiempo de residencia. Este sistema permitirá, en función de un sistema de válvulas, la operatividad en cascada, pasando de un tanque al siguiente, con la consiguiente dosificación de levaduras específico, o en batch, saliendo de cada tanque de fermentación al tanque pulmón final, desde donde se pasará a la destilación en columna de platos de campanas de burbujeo, con una altura correspondiente a 33 platos.

La optimización de este proceso se dará mediante la utilización de distintos tipos de levaduras preseleccionadas para la fermentación del jugo hidrolizado o para la fermentación directa del jugo clarificado sin hidrolizar.

TAREA II 5. Optimización del aprovechamiento de los subproductos de producción de bioetanol. Secado de vinazas concentradas para alimentación animal
Tras el proceso de fermentación y destilación, las vinazas se podrán procesar según el destino final que se considere dar. De esta forma, una de las alternativas sería la producción de alimentos para animales ricos en fibra y proteínas. En este aspecto, se plantea la utilización de estas vinazas de destilación como base para la realización de una concentración en evaporador de película descendente a vacío, hasta la obtención de un mínimo del un 30% de sólidos (30º Brix), para la realización posterior de pruebas de secado en spray por atomización en disco rotatorio, con lo que se podrá obtener un producto en forma de polvo con un 5-6 % de humedad máxima, apto para la fabricación de alimentos para animales mediante extrusión o peletizado.

TAREA II 6. Análisis y optimización del uso de la biomasa residual del proceso de extracción de azúcares como fuente energética en caldera de biomasa piloto.
Como parte importante del estudio en planta piloto, se considera básico la optimización de la utilización de biomasa para el aporte energético necesario por parte de la planta de producción, tanto a escala piloto, como una hipotética planta industrial posterior. Esto se considera basándose en la necesidad de reducir al mínimo el coste económico de la producción de bioetanol, como base para incrementar la competitividad del proceso. La utilización de esta biomasa podrá venir dada a partir de los residuos generados del propio proceso de extracción de los azúcares, tal y como se realiza en la industria de la caña de azúcar, o a partir de otro tipo de biomasa.

En el presente Proyecto, se realizarán la caracterización de la biomasa de salida de la difusión, para considerar su posible utilización como fuente energética, de forma que se determinará su humedad y la conveniencia de realizar un presecado previo a su combustión, se realizará un análisis elemental de la biomasa, humedad, poder calorífico, así como porcentaje de cenizas, análisis de inquemados en las cenizas (a 500 y 815º C) y análisis de C,H,N de las cenizas para cálculo del poder calorífico de las mismas.

En función de estos datos, y de la temperatura de fusión de las cenizas, se evaluará su combustión en una caldera piloto de biomasa, acoplada a la planta piloto de procesado. De esta forma se podrá determinar la viabilidad del uso de esta biomasa, así como su potencial para cubrir el 100% de la demanda energética de la planta.

TAREA II 7. Evaluación de la adaptación del desarrollo del proceso piloto a una escala industrial.

Tras la optimización del proceso de producción de bioetanol a escala piloto, se considerará la necesidad de evaluar su adaptación a un proceso industrial con los datos obtenidos. Estudiando la adaptación de cada una de las etapas de procesado a la escala industrial especificada para aplicaciones posteriores del Proyecto. Así mismo, considerando la automatización desarrollada en la planta piloto, se podrá evaluar de igual forma, la programación del sistema de control y automatización de una planta industrial posterior.

Plan de explotación de los resultados

Los resultados obtenidos a lo largo del desarrollo de las distintas tareas serán objeto de publicaciones en revistas de impacto o congresos internacionales. Así mismo, podrán ser usados estos datos como base para la redacción de una tesis doctoral, junto con datos propios de la Fundación CARTIF.

Se considera necesario un plan de información a cooperativas y empresas agrarias con el fin de potencial el cultivo de las variedades seleccionadas para su posterior utilización posterior en una planta industrial de producción de bioetanol.