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OBTENCIÓN DE BIOETANOL MEDIANTE LA DESTILACIÓN DEL FERMENTADO DEL PLATANO MADURO (Musa × paradisiaca)
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Departamento académico de Ingeniería Química ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA OBTENCIÓN DE BIOETANOL MEDIANTE LA DESTILACIÓN DEL FERMENTADO DEL PLATANO MADURO (Musa × paradisiaca) DOCENTE A CARGO: Ing. LANDEO GARAY, Ingrid PRESENTADO POR: BERROCAL BARRIAL DESSIRE KASANDRA CANCHARI ESPINOZA STEPHT NOSKOV HUAMANCUSI MENESES THOMY QUISPE DELGADILLO BRAYAN CESAR AYACUCHO-PERÚ 2021
A la Ing. Ingrid que estuvo a cargo del curso dando las pautas necesarias para la elaboración correcta de este trabajo
El presente trabajo de investigación describe la tecnología utilizada para la obtención de bioetanol a partir del almidón del plátano, así como también las variables para mejorar el rendimiento de obtención del bioetanol, ya sea desde el proceso de la fermentación hasta la destilación. Al hacer este proyecto ayudamos en la reducción de desechos orgánicos no reutilizados, en las juguerías, casas y centros de trabajo en la ciudad de huamanga. Ya que en muchas ocasiones se lo desecha en lugares inadecuados generando o produciendo olores desagradables, insectos y roedores, por lo cual se propone la utilización del plátano La investigación presenta como resultado la obtención de bioetanol, incoloro y con una pureza de 95%, que sería propuesto para su aplicación en cocinas acondicionadas en la elaboración de chifles. A lo largo del artículo se realiza un análisis bibliográfico sobre el proceso de obtención de bioetanol, y las metodologías de recojo de información para la definición de los materiales, equipos, instrumentos y monitoreo de las principales variables de control. Finalmente, se expone el método experimental y las técnicas que definieron el desarrollo y ejecución de las pruebas experimentales.
La producción y consumo del plátano en el Perú es alto. Según la especialista de la Dirección General Agrícola del Midagri, Clotilde Quispe. El Consumo de frutas en Perú alcanza los 55 kilos por persona al año, Estos 55 kilos de frutas que consume cada persona al año en Perú, están conformados de la siguiente manera: plátano 30.16 kilos, mandarina 8.67 kilos, naranja 6.83 kilos, piña 3.45 kilos, palta 2.88 kilos, manzana 2.54 kilos. Ya que el Perú es un gran consumidor, productor y exportador de plátano como materia prima, estamos en la necesidad de darle un valor agregado, para generar más rentabilidad y una de las maneras es la transformación del plátano en bioetanol. Ya que es un combustible considerado como energía renovable y su empleo ayuda a la disminución de gases de efecto invernadero. Al hacer la transformación del plátano maduro en bioetanol, ayudamos en la disminución de residuos orgánicos que generan gases tóxicos, traen vectores si es manejado inadecuadamente. También podemos ayudar a la disminución de la contaminación causada por los combustibles fósiles, ya que al sustituirlo o combinarlo con bioetanol, ayudamos a la disminución de gases de efecto invernadero. Figura 1 : Exportación de plátanos de Perú 2019 Fuente: Banano Plátanos Perú Agrodataperu relacionada con Comercio Exterior Agropecuario de Perú.
Los biocombustibles se han convertido en sustitutos ideales de los derivados del petróleo, debido principalmente a la alta volatilidad en el precio del mismo y a la reducción en la cantidad de los gases de efecto invernadero que generan. Durante la última década, el interés comercial por los combustibles renovables se ha incrementado, llevando a los ingenieros a hacer uso de sus conocimientos y habilidades para encontrar soluciones atractivas que ayuden a detener el uso acelerado de los combustibles fósiles. Actualmente, se han desarrollado diferentes investigaciones sobre recursos útiles para la generación de biocombustibles; sin embargo, aún hay todo un mundo por explorar, del cual se puede proveer proyectos innovadores y plantear ideas para la generación de biocombustibles a partir de residuos orgánicos, de esto modo dar valor agregado tanto a las materias primas que se utilizan como a sus desechos (Barrientos, 2008). Como estudiantes y futuros ingenieros tenemos el compromiso de fomentar el desarrollo de nuestra sociedad e industria nacional, siendo conveniente pensar en los ciudadanos de Ayacucho como principales beneficiarios de los resultados obtenidos de este procedimiento experimental, de esta forma, el proyecto hará que las empresas y personas aprovechen y utilicen los residuos orgánicos para obtener un biocombustible y contribuir así con la solución de un problema de contaminación ambiental que nos afecta a todos. La presente investigación pretende demostrar el valor agregado que se le puede dar al plátano y a la cascara de plátano, al producir un biocombustible como el bioetanol a través del proceso de fermentación alcohólica y destilación simple. Al hacer esta transformación ayudamos a la disminución de residuos orgánicos producidos por el consumo del plátano, Le damos un valor agregado a esta fruta, al hacerlo una trasformación. El uso de biocombustibles es cada vez más usado, algunos países como Brasil tienen un gran impulso de producción de bioetanol a partir de caña de azúcar. Esto nos demuestra que la alternativa de crear un biocombustible puede ser rentable económicamente para los productores de plátano, y también ayudamos a la disminución de contaminantes tanto de efecto invernadero y de desechos orgánicos.
Se inicia a fines del siglo XIX y nace prácticamente con el uso de los hidrocarburos como fuente de energía. La idea de usar aceites vegetales como combustible para motores de combustión interna nace en 1895. En este entonces el Dr. Rudolf Diésel desarrolló el primer motor llamado diésel, cuyo prototipo ya estaba previsto que funcionaría a base de aceites vegetales. Por ejemplo, el aceite de maní que en las primeras pruebas funcionó bien. Unos años después Henry Ford hizo el primer diseño de su automóvil modelo T en 1908, el cual esperaba utilizar el etanol como combustible. La primera experiencia del uso de un biocombustible en el transporte público se dio en 1938, en la línea de ómnibus Bruselas-Lovaina en el curso de la Segunda Guerra Mundial. Aquí los alemanes emplearon el biodiesel para mover sus flotas de guerra y los vehículos pesados en el norte de África. Luego con la crisis del petróleo que se vivió en la década de los setenta bajó la oferta, por lo que el precio se disparó en forma exorbitante, así como el de la gasolina, que se subió hasta un 100%. A fines de 1979, luego de la crisis de los precios del petróleo, se probó una mezcla de gasolina y etanol: los biocombustibles volvían a verse como una alternativa al alza de los precios del petróleo y en dichos tiempos al posible agotamiento de los recursos no renovables. Luego los descubrimientos de inmensos depósitos de petróleo mantuvieron la gasolina y el Diésel muy baratos durante décadas, lo que dejó a los biocombustibles al olvido. Sin embargo, con la subida de los precios del petróleo, junto a la preocupación sobre el calentamiento global causado por las emisiones de dióxido de carbono, los biocombustibles han vuelto a subir a la cima. De hecho, la gasolina y el diésel son biocombustibles ya prehistóricos. Pero se les conoce con el nombre de combustibles fósiles porque están hechos de plantas y animales que han estado enterrados hace millones de años. Los biocombustibles son similares, excepto que se fabrican a partir de plantas que se cultivan en la actualidad. La mayor parte de la gasolina en los Estados Unidos viene mezclada con un biocombustible: el etanol. Es la misma sustancia que contienen las bebidas alcohólicas, solo que está hecho de maíz, pero puesto a un intenso tratamiento. Existen distintas formas de fabricar biocombustibles, generalmente se usan las reacciones químicas, fermentación y el calor para descomponer los almidones, los azúcares y otras moléculas de las plantas. Los productos residuales posteriormente se refinan para producir un combustible que pueden usar los coches. Varios países del mundo están utilizando las distintas clases de biocombustible. Durante muchos años, Brasil ha fabricado etanol a partir de la caña de azúcar y ya muchos vehículos funcionan con etanol puro y no como aditivo a los combustibles fósiles. El
biodiesel, que es un combustible similar al diésel fabricado del aceite de palma, está disponible principalmente en Europa. Parecería que los biocombustibles son la gran solución, pero los automóviles son grandes emisores de dióxido de carbono, el peor gas que puede existir para dar de efecto invernadero causante del calentamiento global. Gracias a que las plantas absorben dióxido de carbono mientras crecen, los cultivos destinados a la fabricación de biocombustible pueden absorber tanto dióxido de carbono como el que emiten los escapes de los vehículos que los queman. Y a diferencia de las reservas petroleras subterráneas, los biocombustibles son un recurso bastante renovable ya que siempre podemos cultivar más para producir más biocombustible. Pero no todo es tan sencillo. Los procesos del cultivo, la fabricación de fertilizantes y pesticidas además de la conversión de las plantas en biocombustible, pueden consumir mucha energía. Es tanta energía la que consumen que ya hay un debate abierto sobre el etanol de maíz para dilucidar si proporciona la misma energía que necesita para su cultivo y procesamiento EROEI (Energy Return On energy Invested). Y, puesto que gran parte de la energía usada en la producción sale del carbón y el gas natural, los biocombustibles no pueden sustituir al petróleo que consumen. Viendo en el futuro, muchos expertos consideran que sería mejor hacer biocombustibles a partir de gramíneas y árboles pequeños debido a que contienen más celulosa. La celulosa es un material muy resistente que conforma las paredes de las células vegetales y es la mayor parte que contiene el peso de las plantas. Si se llegará a transformar la celulosa en biocombustible, este sería mucho más eficiente que los biocombustibles actuales y se emitiría menos dióxido de carbono a la atmósfera (C. Crespo. 2020). Las investigaciones de la producción de Etanol a partir del uso del plátano son más recientes y aquí citamos algunos personajes que ya lo estudiaron. Escalante y Fuentes realizaron un estudio experimental para la obtención de Bioetanol a partir de residuos agrícolas de plátano orgánico en Piura; para la obtención de Etanol a nivel de laboratorio; se hizo una secuencia de procesos como: pretratamiento, deslignificación, hidrólisis enzimática, fermentación y destilación; Se consiguió un destilado de 92% de pureza en peso y un rendimiento etílico de 0,078 g de etanol/g de biomasa. Por lo tanto, es técnicamente factible la producción de Etanol a partir de estos residuos. (Escalante, J. y Fuentes, H. 2013). Flórez y Lara evaluaron el potencial de producción de etanol a partir de plátano, el estudio y aplicación de la ingeniería de procesos en la obtención de etanol utilizando plátano de rechazo como materia prima en la región de Urabá, por medio de fermentación y destilación, Se realizaron 4 pruebas de campo con diferentes grados Brix; se concluyó que el jugo de plátano presenta un alto potencial de uso como sustrato en los procesos fermentativos para la producción de alcohol. Con este sustrato se lograron altos rendimientos y una conversión de más del 80%. Y con respecto a los valores teóricos reportados en tablas de
respectivamente, mientras que la Unión Europea ha sido la principal fuente de crecimiento de la producción de biodiesel. (RFA, 2017). En la Tabla 1 se muestra con mayor detalle una lista de los principales productores de etanol a nivel mundial durante el año 2016 Tabla 1: Producción mundial de combustible etanol durante el año 2016 Región Millones de galones Estados Unidos 15330 Brasil 7295 Unión Europea 1377 China 845 Canadá 436 Tailandia 322 Argentina 264 India 225 Resto del mundo 490 Total 26584 Fuente: Renewable Fuels Association (RFA, 2017). Además, como se muestra en la Tabla 2, algunos países vienen planteando metas políticas para aumentar su producción de biocombustibles. Es así que, el Perú desde el año 2006 se ha planteado incrementar progresivamente la producción de bioetanol y biodiesel, lo que brinda un escenario favorable para el desarrollo de nuevos proyectos ligados a la producciónde biocombustibles. Tabla 2: Metas de política planteadas para biocombustibles Región País Bioetanol Biodiesel América del Norte
Renewable Fuels Standard & Alternative Fuels Standard : 28,000 millones de litros de combustibles renovables en el 2012; 132,000 millones de litros de combustibles renovables y alternativos en 2017 (15% del uso proyectado de gasolinas al 2017). Canadá 5% en 2010. 2% de contenido renovable en diésel y gasolina en 2012. Europa Unión Europe a 5.75% al 2010, 8% al 2015 y 10% al 2020 para biocombustibles en sustitución de diésel y gasolina para transporte (computado sobre base energética). Asia Japón Sustitución de 500 000 m^3 de gasolinas para transporte por año al 2010 (1.8 millones de L/año de bioetanol en el corto plazo, 6 millones de m^3 de bioetanol producido localmente al 2030 que representa el
10% de la demanda actual de gasolinas). China 15% del consumo para transporte al 2020. India 5% al 2012, 10% al 2017. Oceanía Australia 350 millones de litros de biodiesel y bioetanol al 2010. Latinoamé rica y el Carib e Argentina 5% sobre el producto final al 2010. 5% sobre el producto final al 2010. Bolivia - 2.5% a partir del 2007 hasta llegar a un 20% en el 2015. Brasil 22% desde el
2% al 2008, 5% desde el 2013 y 20% en el 2020. Colombia 10% a partir del 2 006, por regiones. 5% a partir del
Paraguay 18% mínimo. 1% en 2007, 3% en 2008 y 5% en 2009. Perú 7.8% a partir del 2006 y en forma progresiva por regiones. 5% a partir del 2008 y en forma progresiva por regiones. Fuente: Comisión Económica para América Latina y el Caribe – CEPAL. (Pistonesi, Nadal, Bravo, &Bouille, 2008) Por otro lado, los precios de algunos productos agrícolas se han visto incrementados drásticamente durante los últimos años a causa de una serie de factores, dentro de los cuales,uno de los principales es la demanda de biocombustibles. En la Tabla 3, se presentan las principales características de las empresas productoras de etanol más importantes en el Perú. Tabla 3: Empresas productoras de etanol a nivel nacional Características Empresa Caña brava Maple energy Ubicación A 67 kilómetros de la ciudad de Piura, en el Departamento del mismo nombre, se ubica Caña Brava, empresa productora de etanol en el Valle del Chira. Piura, Paita - La Huaca
eficiente energéticamente, en comparación con cultivos como el maíz o la remolacha, en cuanto a la producción total y emisión de gases de efecto invernadero (Wang, 2006). la producción de bioetanol en Brasil a partir de caña de azúcar se considera la más eficiente energéticamente, en comparación con otros biocarburantes, debido al procesamiento eficiente, las óptimas condiciones que presenta el país para el cultivo de esta especie, el trabajo manual que implica, así como los incentivos políticos y las subvenciones del gobierno existentes desde los años 70. A pesar de las grandes empresas establecidas, se ha logrado que el 30-35% de la producción se realice en explotaciones de menor escala. La producción del etanol ha creado cerca de 1 millón de oportunidades de empleo, que dependen del grado de mecanización aplicado, y se ha reducido la dependencia de la importación de petróleo y la exposición a la volatilidad de los precios internacionales (SIDA, 2009). Desde los años 70 el gobierno brasileño aplicó importantes subsidios para fomentar el uso del bioetanol y aplicó préstamos “blandos” para la producción de caña de azúcar y la implantación de molinos y sistemas de refinamiento. Se estima que las inversiones en los sectores agrícolas e industriales para el bioetanol entre 1975 y 1989 ascendieron a casi 5 billones de dólares (según valor de 2001). En contra posición, la reducción de importaciones de petróleo se tradujo en un ahorro de aproximadamente 52 billones de dólares (según valor de 2003) entre 1975 y 2002 (Goldemberg, 2006). Algunas ventajas del uso del bioetanol incluyen la mejora en la biodegradabilidad de la gasolina en agua y suelos, la reducción de emisiones tóxicas a la atmosfera (CO, NOx y partículas en suspensión), la mejora en el índice de octanos, el aumento del calor de vaporización y mejor combustión al necesitar menos aire (Best, 2009; OECD/IEA 2007; Carvalho, 1998). Según el Centro Global de Biocombustible, en el año 2010, Estados Unidos se consolidó Como el mayor productor de etanol en el mundo con una producción de 13 470 millones de Galones y Brasil ocupó el segundo lugar con casi 7 100 millones de galones, representado para ese año, el 82% de la capacidad de producción de etanol a nivel mundial (Charry, 2011). BANANO (MUSA PARADISIACA) El nombre científico Musa × paradisiaca (o Musa paradisiaca) y los nombres comunes banano, banana, plátano, cambur, topocho, maduro y guineo hacen referencia a un gran número de plantas herbáceas del género Musa, tanto híbridos obtenidos horticulturalmente a partir de las especies silvestres Musa acuminata y Musa balbisiana como cultivares genéticamente puros de estas especies. Clasificado originalmente por Carlos Linneo como Musa paradisiaca en 1753, la especie tipo del género Musa, estudios posteriores han llevado a la conclusión de que la compleja taxonomía del género incluye
numerosos híbridos, de variada composición genética, y se ha desarrollado un sistema estrictamente sui géneris de clasificación para dar cuenta de esta variación. Figura 2 : Datos sobre el platano o banana. Fuente: NT Saludable, nuevo tiempo Peru. DESCRIPCIÓN BOTÁNICA Planta Es una herbácea perenne gigante, con rizoma corto y tallo aparente, que resulta de la unión de las vainas foliares, cónico y termina en una corona de hojas (Simmonds, 1966). Posee gran actividad celular, y es altamente exigente de nutrimentos, luminosidad, calor, humedad y suelos. Sistema radicular Las raíces son superficiales distribuidas en una capa de 30-40 cm, concentrándose la mayoría a los 15 a 20 cm. Son de color blanco y tiernas cuando emergen, posteriormente son duras, amarillentas, brotan normalmente en grupos de cuatro en la superficie del cilindro central del rizma (Riopel y Steeves, 1964) y tienen un diámetro que oscila entre 5 y 10 mm; la longitud varía y pueden llegar entre 5 y 10 m en crecimiento lateral, si no son obstaculizadas durante su crecimiento, y hasta 1.5 m de profundidad. Varían considerablemente en número, según el estado de salud de la planta, encontrándose de 200 a 500 raíces (Robin y Champion, 1968).
División Taxonómica Reino: Plantae División: Magnoliophyta Clase: Liliopsida Orden: Zingiberales Familia: Musaceae Género: Musa Especie: M. paradisiaca IV. METODOLOGIA Destilación. La destilación es la operación de separar las distintas sustancias que componen una mezcla líquida por medios de vaporización y condensación selectivas. Dichas sustancias, que pueden ser componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados, se separan aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de ellas, ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión (H., 1998). Destilación Simple. Es el proceso de ebullición y condensación de una mezcla en solución líquida para separar sustancias normalmente miscibles y con temperaturas muy diferentes de ebullición. El proceso implica calentar la sustancia líquida en un matraz de destilación equipado con un termómetro y colocar la sustancia líquida en la rejilla del matraz de calentamiento hasta que el líquido contenido en el mismo se evapore, el vapor se transfiere al refrigerante y el agua fluya en contracorriente a través del refrigerante Circule, condense en un recipiente colector. Este método también es sobresaliente porque no se utiliza torre de fraccionamiento (Durst & Gaoke, 1985). Figura 3 : Montaje destilación simple. Fuente: Gilbert, J. Martin, S. (2006).
Destilación Fraccionada. La destilación fraccionada se emplea cuando es necesario separar dos o más compuestos volátiles. El principio de destilación fraccionada está basado en la ejecución de un gran número de ciclos teóricos de condensación y evaporación. Al usar una columna de fraccionamiento se produce un equilibrio entre el líquido condensado que desciende por su interior y los vapores ascendentes, lo cual produce el efecto de múltiples ciclos de evaporación-condensación (Pasto & Johnson, 1981). Figura 4 : Montaje destilación fraccionada. Fuente: Gilbert, J. Martin, S. (2006). Destilación al Vacío. Esta técnica es empleada para separar líquidos con un punto de ebullición superior a 150°C. Como un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión externa, se puede reducir el punto de ebullición disminuyendo la 62 presión a la que es destilado. Esta técnica se conoce como destilación a presión reducida o destilación al vacío. La destilación al vacío se utiliza cuando el líquido tiene un punto de ebullición excesivamente alto o se descompone a alta temperatura (Lembrino & Peralta., 2007).
