Biotecnología

Monografía

Unidad nº 16: “Productos orgánicos producidos por fermentación. Etanol y

Biocombustibles”

Integrantes:

Hernández, Gustavo Adrián

Moya, Renzo

Encina, Matías

Fornasin, Emiliano

Pirán, Walter

Barbieri, Juan Pablo

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Biotecnología

Monografía

Unidad nº16: “Productos orgánicos producidos por fermentación. Etanol. Biocombustibles”

Los biocombustibles Introducción

Actualmente, los combustibles fósiles y la energía nuclear proporcionan cada año alrededor del 90% de la energía que se utiliza en el mundo. Pero las reservas de combustibles fósiles son limitadas y, en mayor o menor grado, contaminantes.

Desde mediados del siglo XX, con el crecimiento de la población, la extensión de la producción industrial, y el uso masivo de tecnologías, comenzó a crecer la preocupación por el agotamiento de las reservas de petróleo y el deterioro ambiental. Desde entonces, se impulsó el desarrollo de energías alternativas basadas en recursos naturales renovables y menos contaminantes, como la luz solar, las mareas, el agua, y la biomasa.

¿Qué son los biocombustibles?

A diferencia de los combustibles fósiles, que provienen de la materia orgánica acumulada durante enormes períodos de tiempo, los biocombustibles provienen de una fuente renovable, la biomasa. La biomasa es la materia orgánica que constituye todos los seres vivos, sus productos y desechos. Se dice que es una fuente de energía renovable porque su formación no lleva miles de años, y por lo tanto la tasa de utilización no es mucho mayor a la de su formación. En la Tabla 1 se muestran los principales tipos de biocombustibles.

Sólidos Líquidos Gaseosos

Paja

Leña

Astillas

Briquetas

Carbón vegetal

Alcoholes

Biohidrocarburos

Aceites vegetales y ésteres derivados

Aceites de pirólisis

Gas de gasógeno

Biogás

Hidrógeno

En gran parte del mundo, la leña (o carbón vegetal) que se obtiene a partir de la madera sigue siendo el principal biocombustible empleado para la cocina, la calefacción y la luz. Esta fuente de energía es un recurso renovable si se obtiene a partir de bosques convenientemente reforestados. Asimismo, muchos vehículos utilizan biocombustibles a base de metanol y etanol mezclado con gasolina. Se puede obtener etanol a partir de la caña de azúcar, de la remolacha o del maíz. En algunos países, como la India y la China, se produce biogás a partir de la fermentación natural de desechos orgánicos (excrementos de animales y residuos vegetales). Otra fuente importante de

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biocombustibles son los aceites de los cultivos oleaginosos, como la soja, el girasol y la colza, que pueden convertirse en biodiesel.

Obtención de los biocombustibles

Según la naturaleza de la biomasa, y el tipo de combustible deseado, se pueden utilizar diferentes métodos para obtener biocombustibles: mecánicos (astillado, trituración, compactación), termoquímicos (combustión, pirolisis y gasificación), biotecnológicos (fermentación y digestión microbiana anaeróbica) y extractivos. En la Tabla 2 se presentan los principales procesos de obtención de biocombustibles, los productos derivados y sus aplicaciones.

Procesos de obtención de biocombustibles

Mecánicos Termoquímicos Biotecnológicos Extractivos

Técnicas Astillado Trituración

Compactación

Pirolisis Gasificación

Fermentación

Digestión anaerobia

Extracción físico-

química

Productos Leñas Astillas

Briquetas Aserrín

Carbón Aceites

Gas de gasógeno

Etanol Varios

Biogás Aceites Ésteres

Hidrocarburos

Aplicaciones

Calefacción Electricidad

Calefacción

Electricidad

Transporte

Industria química

Calefacción

Electricidad

Transporte

Industria química

Transporte Industria química

Calefacción

Electricidad

Transporte Industria química

Los principales biocombustibles

1. El bioetanol

El bioetanol es un alcohol, y se obtiene como la cerveza y otras bebidas alcohólicas. Los carbohidratos son transformados en azúcares simples, los que se convierten por fermentación en etanol, que luego es destilado en su forma final. Se produce principalmente a partir de caña de azúcar o maíz (en algunos casos mezclado con otros cereales), cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces.

2. El Biodiesel

El biodiesel es un éster que puede producirse a partir de aceites vegetales, como el de soja, colza, girasol, y otros, y también a partir de grasas animales. Su elaboración se basa en la reacción de transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores. Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir, tienen tres cadenas de ácidos grasos unidas a un

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alcohol, el glicerol. En la reacción de transesterificación, una molécula de triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerol. Estos ésteres metílicos o etílicos (biodiesel) se mezclan con el diesel convencional (o gasoil) o se utilizan como combustible puro en cualquier motor diesel. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.

3. El Biogás

El biogás es una mezcla que se desprende de tanques o digestores, y esta constituida por metano (CH4) en una proporción que oscila entre un 50% y un 70 % en volumen, y dióxido de carbono (CO2), conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y sulfuro de hidrógeno (H2S). Este puede ser empleado para generar energía eléctrica o mecánica mediante su combustión, sea en plantas industriales o para uso doméstico debido a su alto contenido en metano.

Fermentación acetona-butanol

Introducción

Durante los últimos años se han usado en muy gran escala ciertos Clostridium spp. Para la producción de los disolventes industriales acetona y butanol. Muchos clostridios llevan a cabo la fermentación de los azucares dando dióxido de carbono, hidrogeno y acido butírico. Algunos realizan reacciones posteriores, convirtiendo el ácido butírico en butanol y el ácido acético en acetona y etanol. El desarrollo comercial de la denominada fermentación acetona-butanol, producida por Clostridium acetobutylicum, se inició en Inglaterra justo antes de la primera Guerra Mundial y se extendió rápidamente durante ella porque se necesitaba acetona como disolvente para la fabricación de explosivos. Después de la guerra, la demanda de acetona disminuyó, pero el proceso se mantuvo porque otro de los productos principales de la fermentación, el butanol, empezó a utilizarse como disolvente para las pinturas de nitrocelulosa de secado rápido, usadas en la creciente industria automovilística. Un producto secundario de la fermentación, la vitamina riboflavina , también ayudo a mantener su rentabilidad.

Hoy en día esta industria ha desaparecido virtualmente como resultado de métodos competitivos, solo en parte microbiológicos, para la síntesis de los principales productos. Tanto la acetona como el butanol se producen en grandes cantidades a partir del petróleo y un proceso microbiano basado en la utilización de levaduras es la fuente principal de riboflavina.

Recientemente con la subida de los precios del petróleo y con las mejoras genéticas en las cepas de clostridios, de nuevo se piensa que la fermentación de la acetona-butanol pudiera resultar rentable.

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La fermentación de la acetona- butanol hizo importantes contribuciones tecnológicas a la microbiología industrial. Fue el primer proceso a gran escala en el que la eliminación en el depósito de cultivo de otros microorganismos resultaba de capital importancia para el éxito de la operación. El medio utilizado para el cultivo de Clostridium acetobutylicum es también favorable para el desarrollo de bacterias del ácido láctico, si estos organismos empiezan a crecer rápidamente inhiben el posterior desarrollo de los clostridios mediante la formación de ácido láctico. Mas grave todavía es una infección de virus bacterianos, a los que son muy sensibles a los clostridios. Por lo tanto, la fermentación de la acetona-butanol puede realizarse con éxito solo bajo condiciones de un cuidadoso control microbiológico. El establecimiento de esta industria llevo a la primera utilización con éxito de los métodos de cultivo puro a escala masiva, que luego se mejoraron y refinaron en conexión con la producción industrial de antibióticos.

Bacterias empleadas en la producción

Las cepas más usadas para la fermentación industrial ABE (acetona-butanol-etanol) son principalmente del género Clostridium: Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinkii, Clostridium saccharobutylicum y Clostridium saccharobutylacetonicum. Las especies de acetobutylicum y beijerinkii son adecuadas para la fermentación acetona-butanol a partir de maíz mientras que las saccharobutylicum y saccharobutylacetonicum utilizan melaza como sustrato.

Como se mencionó anteriormente, C. acetobutylicum es la especie más estudiada la secuencia completa de su genoma fue liberada en el 2001. Es una especie anaeróbica obligada, con forma de bastón, que posee un cromosoma de 3.94 Mbp y un plásmido de 192 Kbp. En cepas silvestres éste plásmido resulta indispensable para la solventogénesis. El C. acetobutylicum tiene la ventaja de ser muy diverso en los sustratos que metaboliza; utilizando glucosa, galactosa, celobiosa, manosa, xilosa y arabinosa. Además, es también diversa la batería de enzimas que libera al medio, incluyendo: α y β-amilasas, α y β-glucosidasas, pululanasas, amilopululanasas, entre otras.

Etapas del proceso

La fermentación consta de dos etapas claves:

Acidogénesis. Asociada con un rápido crecimiento del celular. Se producen mayoritariamente ácidos butírico y acético junto con CO2 e H2.

Solventogénesis. Transformación de los ácidos a solventes. Iniciación de la esporulación. Se producen los solventes generalmente en una relación 3:6:1 de acetona:butanol:etanol.

El Clostridium acetobutylicum produce disolventes neutros (acetona, butanol y etanol) ¡unto a butirato, acetato, CO2; e H2 en la fermentación de azúcares. Es la llamada fermentación acetona-butanol que ha sido objeto de gran atención a escala industrial.

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En la primera etapa de la fermentación se producen los ácidos. Luego aparecen los disolventes, haciéndose constante el pH del medio y aumentando la producción de CO2; con respecto al H2, así como la producción total de gases. Esto es debido a la formación de acetona. El acetoacetil-Coa se convierte en acetoacetato que luego se descarboxila dando acetona y CO2. A fin de compensar el bloqueo en la reoxidación de NADH que se produce al transformarse parte del acetoacetil-CoA en acetona, parte del acetoacetiI-Coa se convierte en butiril-Coa. El mismo se reduce a butiraldehído con la misma aldehído deshidrogenasa que reduce el acetil-CoA a acetaldehído. Posteriormente, la alcohol deshidrogenasa dependiente de NADH + H+ convierte el butiraldehído en butano .Asimismo el butirato del medio puede incorporarse, transformándose en butiriI-CoA y finalmente en butanol. Ello conlleva un aumento del pH del medio.

Materias primas utilizadas

La materias primas tradicionales que se han utilizado en el proceso ABE han sido materias de origen no celulósico, como las melazas de remolacha, la caña de azúcar, el almidón de cereales, el sorgo o el suero lácteo.

Sin embargo, las materias primas de origen lignocelulósica son sumamente interesantes, ya que la lignocelulosa es el componente más abundante en la biomasa terrestre y su coste es bajo, aunque para poder ser utilizada a nivel industrial requiere todavía un mayor grado de avance tecnológico.

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Existen diversas fuentes de material lignocelulósica, que va desde residuos agrícolas como paja de trigo o de maíz hasta residuos forestales, de madera, licores de la industria del papel, residuos de la industria algodonera, bagazo de caña de azúcar, fibra de maíz etc. El principal problema radica en que debido a su compleja estructura requieren tratamientos previos que faciliten el acceso a los azúcares fermentables.

Modalidades de fermentación

Bach: Dependiendo de las condiciones de cultivo y el tipo de sustrato empleado, las fermentaciones tipo lote toman de 2 a 6 días en completarse. Concentración final de butanol: 12-20 g/L, productividad ~ 0.5 g/L/h. Pueden ser separados por destilación del medio de fermentación.

FED –Bach: Mejora el problema de inhibición por sustrato.

Continuo: Dificultades por la formación de metabolitos bifásicos, toxicidad de los solventes, posible degeneración de los microorganismos y baja velocidad de crecimiento de Clostridia.

Fermentadores de tanque agitado

Este tipo de fermentadores es muy empleado en todas las escalas de producción.

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Generalmente, constan de un recipiente cilíndrico cerrado en su parte superior con una tapa que puede ser elipsoidal o semiesférica y suelen ser diseñados con el fondo redondeado para eliminar zonas de estancado. Habitualmente sólo 70-80% del volumen del fermentador se llena con líquido .EI mezclado se debe al movimiento rotatorio de los agitadores unidos a un eje situado concéntricamente con el recipiente (eje de potencia); éste eje es accionado con un motor. La selección del tipo de agitador depende de varios factores, en especial la viscosidad del fluido y la sensibilidad del sistema al esfuerzo de corte. Asimismo, el número de agitadores depende del volumen de trabajo del fermentador.

En los fermentadores de tanque agitado es importante tener en cuenta el diseño del dispositivo (sparger) de entrada de gases (aire, nitrógeno, dióxido de carbono, etc), al medio, debido a que con éste se garantiza las condiciones aerobias o anaerobias que se requieran en el proceso. Un problema a menudo en los sistemas aireados es la formación de espuma, la cual puede prevenirse con la adición de antiespumantes o la instalación de un cortador de espumas en la parte superior del eje de potencia.

A continuación se muestra la relación de dimensiones estándares de fermentadores

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Factores que afectan la fermentación ABE

Entre las variables que afectan la fermentación ABE se encuentra el pH, la temperatura, la concentración de sustrato y la concentración de productos.

El pH es muy importante durante la fermentación acetona-butanol, ya que la solventogénesis inicia con un pH bajo; sin embargo si éste se encuentra por debajo de 4.5 (antes de que se forme una cantidad suficiente de ácidos orgánicos), la solventogénesis será disminuida e improductiva. Una forma sencilla de incrementar el crecimiento, utilización de los carbohidratos así como la producción de butanol es incrementando la capacidad amortiguante del medio.

En la tabla siguiente se resumen las condiciones favorables para la fermentación ABE a partir del microorganismo Clostridium acetobutylicum ATCC 824.

La fermentación ABE es un proceso exotérmico por lo tanto la temperatura de 37ºC debe ser controlada. Lo que hace indispensable realizar un diseño del sistema de refrigeración, como por ejemplo una chaqueta simple, teniendo en cuenta:

Requerimiento de limpieza

Volumen del reactor

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Disminución de costos en material

Requerimiento de energía.

Los instrumentos de control y cualquier material en contacto con los microorganismos, susceptibles de autoclavados durante 60 minutos a 121 ºC.

Las condiciones de anaerobiosis se garantizan inyectando nitrógeno industrial libre de oxígeno de bombonas de gases (Air Liquide).

Composición tipo de un medio de cultivo

A continuación se presenta la composición de un medio de cultivo obtenida por la optimización de un medio de cultivo industrial para la fermentación acetobutilica (ABE) mediante la aplicación de diseño de experimentos. Se empleó una mutante espontánea resistente al butanol aislada de la cepa de Clostridium acetobutylicum DSM 1732 la cual tolera una concentración de butanol de 2.5% v/v. La mutante produce 15.5 g/L de solventes totales que representan 30% más que la cepa silvestre.

Melaza ( miel de caña, es un producto líquido y espeso derivado de la caña de azúcar) 130 g

Biotina (Vitamina H) 4.0 mg

PAB A(polyphosphate accumulating microorganisms) 3.0 mg

KH2PO4 1,8 g

Extracto de levadura (Fuente de nitrogeno) 3.0 g

Solución de minerales (FeSO4.7H2O) 4 ml

 Los nutrientes se calcularon de acuerdo con la máxima cantidad de biomasa obtenida en medio vegetativo. Con el propósito de determinar los componentes del medio de cultivo que afectan significativamente la producción de solventes, se diseño una matriz del método estadístico Plackell-Burman. La composición final del medio de cultivo se determinó mediante la aplicación del método EVOP-Simplex. El pH fue de 6.1 antes de esterilizar. Con este medio se obtuvo una concentración de 24.6 g /I de solventes totales. Esta concentración representó un incremento del 58,7% comparado con la producción de la cepa mutante, antes de optimizar el medio de cultivo.

Cabe destacar que el hierro es un importante componente en la dieta de Clostridium, ya que se requiere de una profusa producción de ferredoxina en la conversión de piruvato en acetil-Coa.

Método de análisis

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Los solventes del proceso, acetona, butanol, etanol, ácido acético y ácido butírico se determinan mediante cromatografía de gases empleando un cromatógrafo de gases.

Problemas en la producción de butanol

Toxicidad a los microorganismos (concentraciones > a 20 g/L butanol).

Bajos rendimientos y productividad, crecimiento lento:

La producción de butanol mediante bacterias anaerobias, como las de género Clostridium que tienen como desventaja la baja velocidad de crecimiento frente a otras especies aerobias. Por ello algunos investigadores están trabajando en la obtención de butanol clonando genes relacionados con la producción de butanol de Clostridium acetobutylicum en Escherichia coli e incluso con levaduras modificadas de Saccharomyces cerevisiae, debido a su potencial resistencia al butanol y por estar genéticamente bien caracterizada. Hasta el momento no se han obtenido resultados comparables a los de Clostridium beijerinckii, pero es otra de las líneas de investigación abiertas y en fase de estudio.

Baja concentración de producto y muchos sub –productos

El Butanol no es un metabolito primario ni secundario, necesita que el microorganismo esporule. Esto produce la degeneración de las cepas y pierden capacidad de producir butanol.

Contaminación con bacteriófagos.

Separación de los solventes durante la fermentación o previo a la destilación

Tradicionalmente los procesos de fermentación ABE se habían llevado a cabo en procesos discontinuos, es decir, todos los reactivos se colocan en el reactor bajo las condiciones de operación hasta que se agotan y se obtienen los productos. Los reactores que operan en continuo resultan más fáciles de operar y reducen los riesgos de contaminación, pero también se caracterizan por su baja productividad.

Dos de las posibles soluciones para incrementar la productividad del proceso de producción de butanol son la inmovilización de microorganismos y el desarrollo de procesos en separación del producto in situ.

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El arrastre de gas (gas stripping) es una técnica muy sencilla que permite recuperar cualquier solvente del medio de fermentación y que no requiere grandes inversiones en equipos. Consiste en burbujear un gas (nitrógeno o incluso los gases producidos en la fermentación: CO2 e H2) a través del medio de fermentación. Durante su paso por el medio, el gas captura los solventes (butanol, acetona, etanol) y son arrastrados hacia la salida, donde son condensados. El gas vuelve a ser recirculado en el fermentador para continuar así con la captura de los productos. Esta técnica no elimina los nutrientes del medio y no produce daños sobre el cultivo. Los resultados obtenidos mejoran considerablemente ya que se reduce de manera muy apreciable el problema de inhibición por elevadas concentraciones de azúcares.

La inmovilización de microorganismos consiste en el establecimiento de una interacción (ya sea mediante fuerzas físicas, químicas) entre los microorganismos productores de butanol y un soporte, que puede ser natural o sintético. Este sistema tiene las ventajas de facilitar la separación de los productos, elevar la densidad celular y mejorar la transferencia de materia. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes como la necesidad en algunos casos de procesos previos de hidrólisis, la pérdida de actividad celular como consecuencia de la inmovilización y la acumulación de burbujas de gas.

Otros métodos para la separación de los solventes son:

Adsorción (sin membrana)

Per -extracción (con membrana)

Ósmosis reversa (con membrana)

Generalmente se busca: alta selectividad, velocidad de remoción, simple, no tóxica para el cultivo, y de bajo costo.

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GLICEROL

El glicerol, también conocido como glicerina o 1, 2,3 propanotriol, es un compuesto alcohólico con tres grupos –OH (hidroxilos). La palabra glicerol, procede del griego Glykos, que significa dulce. Posee un aspecto de líquido viscoso, no tiene color, pero si un característico olor, además de un sabor dulzón. Además el glicerol es un compuesto higroscópico, lo que quiere decir que tiene la capacidad de ceder o absorber la humedad presente en el medio ambiente que lo rodea. Además es fácilmente soluble en agua, y se descompone en ebullición, en la cual entra a una temperatura de 290ºC. Es un compuesto líquido si se encuentra a temperatura ambiente, (a unos 25ºC).

Se encuentra en todos los tipos de aceites, así como en las grasas animales o vegetales, siempre que éstas vayan asociadas a otros ácidos grasos.

Además es un subproducto del biodiesel. Éste se genera en cantidades considerables en los procesos que dan lugar a la fabricación del biodiesel, Hoy en día, quizás la mayor preocupación se encuentra en intentar dar salida y utilidad a dicho subproducto, pues está creando un cierto impacto medio ambiental, así como afectando económicamente.

Uno de los procesos de obtención de glicerol como sub producto del Biodiesel es:

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Acondicionamiento de la muestra: las muestras de glicerina sólida se diluyen en la misma proporción en peso de agua destilada se hace con agitación suave y un leve calentamiento hasta 30 ºC, la razón de realizar una disolución acuosa es que se necesita neutralizar la muestra de glicerol que tiene cantidades importantes de hidróxido de sodio (catalizador homogéneo de la transesterificación).

Neutralización: una vez diluida la muestra, se determina el pH inicial, el cual en todos los casos fue de carácter básico en el orden de pH: 10, lo cual era de esperar ya que la glicerina cruda también tiene residuos del catalizador utilizado en la transesterificación.

Luego, para neutralizar con la consecuente formación y precipitación de sales se agregó ácido sulfúrico concentrado hasta alcanzar un pH ligeramente ácido (pH:6). La neutralización se realizó a temperatura ambiente y con agitación, agregando gota a gota ácido y controlando con un peachímetro. Con el agregado de ácido se observara que la muestra se aclara, tornándose de aspecto lechoso en todos los ensayos, esto se debe a la formación de pequeño precipitado que da el aspecto de una suspensión coloidal.

Una vez alcanzado el pH 6, se continúa agitando durante 15 minutos. Se dejan reposar las muestras, hasta la formación de 2 fases, la más oscura en la parte superior corresponde a la fase orgánica insoluble en agua.

Filtración: Luego de neutralizadas las muestras de glicerol crudo son filtradas dos veces, para ello se utiliza trampa de vacío y embudo butchner y papel de filtro.

Destilación Simple: en esta etapa se separa toda el agua agregada en la etapa de acondicionamiento de la muestra, las condiciones operativas son (recomendadas): presión atmosférica, Temperatura del baño: 130-150ºC, Temperatura del balón: 105ºC, agitación a altos rpm, tiempo aproximado de 1,5 h.

Con esta destilación concentraremos la glicerina, pero ésta aún presentara impurezas y restos de biodiesel por lo que es necesario realizar una destilación al vacío para finalmente lograr glicerina con un alto grado de pureza. En esta destilación se lograra un SEPARADO del GLICEROL CON EL AGUA.

Destilación al vacío del glicerol: La destilación a alto vacío se realiza con una bomba para este fin, las condiciones operativas son (recomendadas) las siguientes: presión de vacío: 720 -730 mmHg, temperatura del baño: 160-180ºC, temperatura del balón: 130-140ºC, agitación y tiempo aproximado de 40 minutos.

Finalizada la destilación al vacío se observaran dos fases bien definidas en el destilado, la superior de biodiesel y la inferior de glicerina pura.

Fig: Destilado obtenido de la filtración al vacío realizado por el primer procedimiento de purificación de Glicerol.

Separación de fases: La separación de fases del destilado es realizada con

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ampolla de decantación. La capa superior inmiscible en agua, se determina en placa cromatográfica que se trata de biodiesel. La capa inferior, mucho más densa y miscible en agua, correspondiente a glicerina.

Hay otro proceso de obtención de glicerol donde se puede separar la biodiesel antes de producir la destilación simple, siendo los procesos muy similares con el siguiente cambio de orden:

En la actualidad se está pensando introducir el glicerol en la industria de la microbiología, con fines de obtención de productos de cierto valor, pues parece ser una buena y nueva fuente de carbono, que puede ser usado en las fermentaciones para el crecimiento bacteriano. Además también se está intentando convertir el glicerol en carbonato de glicerol mediante una ruta conocida como glicerólisis de urea, de manera que podría ser usado en la industria.

GLICEROLISIS DE UREA.

La glicerina cruda obtenida como subproducto en la producción de biodiesel contiene un alto porcentaje de jabones, metanol y agua, lo cual obliga a realizar un pre–tratamiento a ésta para después seguir con la producción del carbonato de glicerol.

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La glicerina tratada se alimenta al reactor principal “gas sparging” junto con urea, sulfato de zinc (catalizador) y nitrógeno. Este último se adiciona continuamente con el fin de arrastrar el amoníaco en la Reacción:

El carbonato de glicerol o carbonato de glicerina (GC) es un importante derivado del glicerol que se caracteriza por ser un líquido incoloro y estable a temperatura ambiente. Posee baja toxicidad, elevado punto de ebullición, baja inflamabilidad, elevada capacidad de hidratación y buena biodegradabilidad. Sin embargo, como es un material relativamente nuevo en la industria química, los datos disponibles sobre él están limitados.

Por sus propiedades, el carbonato de glicerol posee diversos usos en diferentes sectores industriales; especialmente, es usado como disolvente polar con un elevado punto de ebullición así como producto químico intermedio en la síntesis de policarbonatos y otros materiales poliméricos.

Además, es usado como precursor en aplicaciones biomédicas, y como grupo protector en la química de carbohidratos. También ofrece aplicaciones útiles como componente novedoso de las membranas de separación de gases, en la síntesis de poliuretanos y en la producción de surfactantes.

Otros usos a destacar es su papel como disolvente neotérico; puede decirse que es un potencial biodisolvente de revestimientos, cosméticos y fármacos. Su uso industrial como disolvente verde se encuentra como diluyente no reactivo en sistemas epoxi o de poliuretano. Es también usado como disolvente volátil en la industria de la pintura y como componente de recubrimientos.

Bioetanol

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Introducción

El bioetanol es alcohol etílico de alta pureza, anticorrosivo y oxigenante que puede ser empleado como combustible mezclándolo con las naftas en diferentes proporciones.

Se obtiene a partir de biomasa de origen vegetal que contenga azucares simples o algún compuesto que pueda convertirse en azucares, como el almidón o la celulosa. Las especies vegetales a partir de las cuales se puede obtener el bioetanol son el maíz, trigo, sorgo, cebada, remolacha azucarera, caña de azúcar.

Al ser una biomasa de origen vegetal, el bioetanol es considerado una energía renovable y su empleo disminuye ampliamente la emisión de gases contaminantes a la atmosfera debido a que durante la combustión de etanol se libera la cantidad de CO2 que fue fijada anteriormente. Esto es un gran aporte para disminuir la contaminación ambiental y como consecuencia, el calentamiento global.

El bioetanol se produce mediante una fermentación alcohólica por medio de levaduras. Las levaduras fermentan los azucares simples, que proviene de la biomasa, dando como resultado final, etanol y dióxido de carbono.

C6H12O6 + Levaduras (Saccharomyces) 2C2H5OH + 2CO2

El alcohol producido en la fermentación alcohólica es destilado. El objetivo de la destilación es producir alcohol de calidad y concentración adecuada (95%v/v). Posteriormente ese alcohol es deshidratado, la absorción de agua se produce por medio de tamices moleculares donde el alcohol de destilería queda con una concentración de 99.5 % v/v. Este es el grado de pureza que se requiere para uso combustible.

Materias primas y tecnologías de producción del bioetanol

El bioetanol se puede producir a base de cualquier biomasa que contenga cantidades significativas de almidones o azúcares. Los azúcares liberados son fermentados con levaduras, y el vino resultante sufre destilación para la purificación del bioetanol. Además del bioetanol, esos procesos implican, generalmente, diversos coproductos, que varían de acuerdo con la biomasa utilizada.

Proceso de producción

En general, el proceso se basa en la extracción de los azúcares (por medio de la molienda o de la difusión), que pueden seguir directamente hacia la fermentación. Tras la fermentación, se destila el vino.

Producción a partir de la caña de azúcar

Considerando la producción a base de azúcares, como en el caso de la caña y de la remolacha, el proceso es más sencillo e implica una etapa menos, ya que los azúcares están disponibles en la biomasa

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La caña de azúcar es una planta semiperenne con ciclo fotosintético de tipo C4, perteneciente al género Saccharum, de la familia de las gramíneas, compuesta por especies de gramas altas perennes. La parte aérea de la planta se compone, esencialmente, por los tallos, en los que se concentra la sacarosa, y por las puntas y hojas, que constituyen la paja de la caña de azúcar, como se detalla en la figura. Todos esos componentes juntos totalizan cerca de 35 toneladas de materia seca por hectárea.

Compuesto % en Peso:

Celulosa 6,48

Fructosa 0,6

Glucosa 0,9

Hemicelulosa 5,4

Sacarosa 13,5

Lignina 1,42

Proteína 0,4

Agua 69,7

Grasa 0,3

Azucares no fermentables 0,35

Ácidos grasos 0,1

Otros compuestos 0,35

Cenizas 0,5

Dentro de las condiciones para un óptimo cultivo tenemos

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Altura: Entre 500 y 1.500 msnm

Temperatura: 25 y 26ºC, aunque entre 20 a 30 ºC permite buenos rendimientos del cultivo. Si los cambios de temperatura entre el día y la noche son superiores a 8 ºC se favorece la formación de la sacarosa.

Luminosidad adecuada: se encuentra entre 5 a 8 horas diarias promedio de brillo solar.

Precipitación anual: 1.500 a 1.750 mm

Vientos: Cálidos y secos aumentan la transpiración de la planta.

Suelos: Franco arcillosos, con buen drenaje y pH entre 5,5 y 7,5.

Humedad relativa: 75 – 80 %

Etapas del proceso

Cosecha de la caña: El período de cosecha de la caña varía según el régimen de lluvias, de manera de permitir las operaciones de corte y transporte y de poder alcanzar el mejor punto de maduración y acumulación de azúcares.

Debido a que la caña no se puede almacenar por mucho tiempo debido a las pérdidas de sacarosa, las plantas de producción operan durante el periodo.

Extracción

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La extracción del jugo se lleva a cabo en los molinos y consiste en la compresión de la fibra de caña entre cilindros de gran tamaño llamados mazas. Los molinos se colocan de forma tal que la fibra que sale de un molino sea acarreada por un conductor intermedio y entre a un siguiente molino, de esta manera se logra extraer la mayor cantidad de sacarosa que contiene la fibra.

Filtración:

El jugo extraído en la molienda contiene mucho bagazo en suspensión, conocido generalmente como bagacillo. Para eliminar este bagacillo los jugos se pasan primero por filtros perforados con agujeros de 1 mm de diámetro. Al pasar por el filtro el jugo se deposita en un tanque en tanto que el bagacillo que ha sido separado se recoge por medio de un conductor de raspador que lleva el bagacillo de nuevo a los molinos.

Clarificación

El propósito del proceso de clarificación es separar las impurezas presentes en el jugo debido a que contiene una considerable cantidad de materia fina y coloidal en suspensión que debe eliminarse para conseguir azúcares de alta pureza al final del proceso. Se trata suele tratar con lechada de cal entre 4 y 5 grados Baumé para precipitar las diversas impurezas contenidas en el jugo de caña y para incrementar el pH.

Evaporación:

Cuando el jugo ya se encuentra limpio, a través de evaporadores se evapota hasta que el 80% del líquido desaparece. Esto lo hace más concentrado.

Este proceso se realiza en 3 etapas. En la primera etapa se quema bagazo para lograr vapor en la caldera. El vapor remanente del jugo de la primera etapa será el que caliente al jugo en la segunda etapa. Lo mismo sucede con la tercera etapa de evaporación. Luego por un sistema de bombeo se transporta el líquido a los tanques fermentadores.

Fermentación

La fermentación puede definirse como un proceso de biotransformación en el que se llevan a cabo cambios químicos en un sustrato orgánico por la acción de enzimas sintetizadas por microorganismos conocidos como catalizadores bioquímicos o biocatalizadores, en este caso capaces de convertir las hexosas del mosto en etanol cuando las condiciones son anaeróbicas.

La fermentación es la etapa principal del proceso, no solo porque en ella se produce el etanol, sino porque se reproduce la masa fundamental de microorganismos y además por formarse aquí los productos secundarios. Para la fermentación además del mosto se requiere un biocatalizador que sea capaz de atacar enzimáticamente determinados grupos químicos del sustrato, ya sea por hidrólisis, oxidación, reducción u otros medios. Los sustratos orgánicos sobre los que actúan los microorganismos tienen un doble papel:

El primero como fuente de nutrientes para dicho biocatalizador y

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El segundo como fuente de energía.

Mediante la acción de dichos microorganismos o biocatalizadores, que pueden ser tanto levaduras como bacterias, se transforma el azúcar en alcohol. Esto se debe a que éstos bajo condiciones de crecimiento anaeróbico, tienen la habilidad de utilizar la glucosa

El objetivo de la fermentación alcohólica es la obtención de bioetanol de mediante la fermentación de los azúcares contenidos en los residuos orgánicos. El 96% de la producción de etanol la llevan a cabo diferentes especies de levaduras debido a su alta productividad en la conversión de azúcares a etanol y a que se separan mejor después de la fermentación. Entre las especies más utilizadas están:

Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces anamensisi

Saccharomyces carlsbergensis

Candida seudotropicalis

Candida bytyrii

Kluyveromyces marxianus

Pichia stipatis

Pichia membranaefaciens

Schizosaccharomyces pombe

Los sistemas biológicos discontinuos para la producción de etanol se inician en aerobiosis, para obtener la máxima biomasa posible, ya que si las condiciones anaerobias empiezan demasiado pronto la población no será lo suficientemente grande como para obtener una buena velocidad de conversión a etanol. Se distinguen por lo tanto dos fases:

Fase aerobia: es una fase de crecimiento en la cual la glucosa pasa a dióxido de carbono.

Fase anaerobia: es la fase de producción de etanol; la glucosa pasa a etanol y dióxido de carbono. Incluso en la fase anaerobia será necesaria una cierta presencia de oxígeno, ya que las levaduras lo necesitan para producir sus esteroles y sus ácidos grasos insaturados de membrana.

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Las reacciones ocurren en tanques denominados tanques de fermentación donde se mezclan el Mosto y el pie de Cuba (Pre-Fermento) en una proporción 2:1, respectivamente.

Las etapas de un proceso de fermentación forma continua son

Preparación del Mosto: El mosto es una solución de azúcar cuya concentración es ajustada de forma que facilite la fermentación. La concentración del mosto es definida en función de la producción pretendida y de la capacidad de fermentación de la levadura.

Preparación del Fermento: La levadura recibe un tratamiento severo, que consiste en dilución con agua y adición de ácido sulfúrico hasta, normalmente, pH = 2.5, o más bajo (pH = 2.0) en el caso de haber infección bacteriana. Esta suspensión de fermento diluido y acidificado, conocida en la práctica como Pie de Cuba (Pre-Fermento), permanece en agitación por 1 o 3 horas, antes de retornar a los fermentadores.

Durante la formación del etanol por fermentación, se generan aproximadamente 287 kilocalorías de calor por kilogramo de etanol producido con la aplicación del sistema Melle-Boinot. Período de fermentación de 4 a 12 horas. Para mantener baja la temperatura (32º C), es preciso realizar el enfriamiento del vino: circulando agua ya sea por serpentines internos o bombeando el mosto a través de intercambiadores externos de calor. El mosto fermentado (o ‘vino’) contiene entre 7-10 por ciento de alcohol por volumen junto con algunos productos secundarios, tales como: alcoholes superiores, glicerol, ácidos y aldehídos.

Después de la fermentación, el vino es enviado a las centrífugas para l a recuperación del fermento. El concentrado del fermento recuperado, denominado Lechada de Levadura, retorna a los tanques de Pre-Fermento para su tratamiento. La fase leve de la centrifugación o vino deslevadurado, es enviada para la Columna de Destilación.

Destilación:

La destilación o mejor denominada rectificación para el caso del etanol es una destilación con enriquecimiento de vapor y es el tipo más empleado en la práctica para separar líquidos volátiles en la industria, debido a la facilidad con que se consigue el enriquecimiento progresivo del vapor y del líquido en los componentes respectivos.

Esta consiste en aplicar calor al vino para separar el etanol del agua. Se lleva a cabo en columnas de destilación que contienen dispositivos conocidos como bandejas.

En la producción de etanol como componente para mezclar con la gasolina, una etapa adicional es la deshidratación hasta el 99,4% o mayor, utilizando benceno o ciclohexano para atrapar el agua. En este caso el destilado azeotrópico se decanta con una etapa adicional de rectificación para la recuperación del agente extractante. El éxito del proceso

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viene dado por la interacción óptima de variables tales como: concentración de azúcar, pH, concentración de O2 y temperatura. Asimismo su progreso se controla mediante el crecimiento celular del biocatalizador, el consumo de sustratos y la aparición del producto

Equipos utilizados:

Extracción:

Para la extracción del jugo que contiene los azucares, la caña se muele en los molinos.

Cada molino está compuesto de 4 mazas, las cuales giran entre 3 y 6 rpm y tienen la función de extraer el jugo del bagazo por medio de la compresión del bagazo. El proceso de extracción inicia con la alimentación de la caña preparada a la tolva del primer molino a través de una banda transportadora. En el molino, a la caña se le extrae casi el 70% del jugo y el resto queda en el bagazo el cual pasa al siguiente molino por medio de otra banda. En cada uno de los molinos se repite el proceso de extracción hasta el sexto donde el bagazo que sale al final queda con aproximadamente un 2.5% de Brix y un 50% de humedad.

Filtración: Para eliminar el bagacillo, los jugos se pasan primero por filtros perforados con agujeros de 1 mm de diámetro. Uno de los más usados el filtro rotatorio de vacío. Estos consisten en un tambor giratorio el cual en su interior se produce vacío. Parte del tambor se sumerge en el fluido extrayéndolo hacia su interior y posteriormente lo deposita en un tanque en tanto que el bagacillo se recoge por medio de un conductor de raspador que lo lleva de nuevo a los molinos.

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Clarificación: El proceso se lleva a cabo en clarificadores que consisten depósitos de gran tamaño por los que el jugo circula a una velocidad lo suficientemente lenta para que el precipitado producido por la reacción del floculante y la materia orgánica se asienten en la parte inferior y pueda ser extraído.

Evaporación: Se lleva a cabo en evaporadores que son intercambiadores de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos.

Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.

Los evaporadores que se utilizan son los de tipo Roberts o de múltiple efecto de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento, el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo y asi sucesivamente

Evaporador de alimentación directa

Fermentación

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Se lleva a cabo en tanques de fermentación o birreactores que básicamente son recipientes de acero inoxidable. Estos proveen un ambiente óptimo para el crecimiento celular y la productividad asegurando el control de distintos parámetros tales como temperatura, pH, etc. Los biorreactores que generalmente se usan en la producción de bioetanol son los biorreactores de tanque agitado.

El biorreactor ideal debe:

1. Mantener las células uniformemente distribuidas en el volumen de cultivo.

2. Mantener constante y homogénea la temperatura.

3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

4. Mantener el cultivo puro.

5. Mantener un ambiente aséptico.

6. Maximizar el rendimiento y la producción.

7. Minimizar el gasto y los costos de producción.

8. Reducir al máximo el tiempo del proceso.

Destilación:

El fundamento destilación es el contacto sucesivo del vapor ascendente, con el líquido descendente cuya concentración no está en equilibrio con el vapor, de forma que paraalcanzarlo parte de los componentes menos volátiles del vapor han de condensar

sobre el líquido y a cambio, evaporarse parte de los componentes más volátiles del líquido que pasaran a la corriente de vapor.

La ebullición de la mezcla en el calderín da lugar a una corriente de vapor ascendente.

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Calderin: donde se aporta el calor necesario para la ebullición de la mezcla, y del cual se extrae la corriente de residuo. La ebullición de la mezcla en el calderín da lugar a una corriente de vapor ascendente.

Columna: donde se ponen en contacto la fase vapor generada en el calderín con el reflujo procedente del condensador.

Condesador: situado en cabeza de la columna, condensa todo el vapor que ha ascendido por la columna y suministra así una corriente líquida que se puede devolver íntegramente a la columna (reflujo), o separar parcialmente como corriente de destilado.

Producción a partir del maíz

El maíz (Zea mays spp.), al igual que la caña, es una planta C4 de la familia de las gramíneas, con ciclo productivo anual.

Por ser una planta que no tolera el

frío, en las zonas templadas el maíz se cultiva en primavera, en los meses de abril y mayo (en el caso de los Estados Unidos).

La cosecha se extiende desde los meses de septiembre hasta noviembre (otoño en los

Estados Unidos), y se realiza, generalmente, con una cosechadora mecánica.

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La cosecha se extiende desde los meses de septiembre hasta noviembre (otoño en los Estados Unidos), y se realiza, generalmente, con una cosechadora mecánica.

El bioetanol de maíz se puede producir por medio de dos procesos, denominados molienda seca y húmeda.

La forma húmeda en el proceso húmedo, detallado en la figura, se apartan las distintas fracciones del grano del maíz, lo que posibilita la recuperación de diversos coproductos, como proteínas, nutrientes, dióxido de carbono, almidón y aceite de maíz. Aunque el aceite de maíz es el producto más valioso, el almidón (y, consecuentemente, el bioetanol) es el producido en mayor volumen, con rendimientos aproximados de 440 litros de bioetanol por tonelada seca de maíz.

En el caso de la molienda seca, el único coproducto del bioetanol es un suplemento proteico para alimentación animal conocido como DDGS (distillers dried grains with solubles). En ese proceso, esquematizado en la figura, se agregan agua y enzimas (alfa-amilasa) al grano de maíz molido, para promover la hidrólisis del almidón en cadenas menores de azúcar. En la etapa siguiente, esas cadenas son sacarificadas por la acción de la glucoamilasa y la solución esultante es fermentada. En algunas unidades, esas operaciones de liquefacción/sacarificación sufren el reciclaje de una parte de la vinaza fina (proceso de backsetting) con la intención de reducir el pH y proveer nutrientes para la fermentación.

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El proceso de liberación de azúcares disminuye su velocidad en poco tiempo, lo que puede exigir tiempos de residencia en los tanques, de 48 a 72 horas, para alcanzar la máxima sacarificación del almidón. Con el objeto de disminuir el tiempo de residencia y el riesgo de contaminación, muchas unidades realizan la sacarificación y la fermentación de forma simultánea. En ese caso, también se disminuye la conversión a glucosa. En los procesos que utilizan el backsetting el reciclado de los azúcares no convertidos inicialmente permite su mejor aprovechamiento. Al igual que en el caso del bioetanol de caña, durante la fermentación, la glucosa se transforma en bioetanol gracias a la acción de la levadura Saccharomyces cerevisiae y el vino producido sigue hacia la destilación. La vinaza producida en esa etapa sigue hacia un conjunto de centrífugas, en las cuales se separa la vinaza fina, que se puede reutilizar en el proceso.

En general, la vinaza que sobra se concentra en evaporadores, produciendo un jarabe con cerca de 50% de humedad. Ese jarabe se combina con los sólidos retirados en la centrífuga y se seca hasta el 10% de humedad, y así se origina el DDGS mencionado antes.

Producción a partir de otras materias prima

Cualquier materia prima con suficiente contenido de azúcar o almidón puede convertirse en bioetanol. De esa manera se utilizan cultivos como la mandioca, el trigo y la remolacha azucarera.

La mandioca (Manihot esculenta) como ventajas principales, presenta un elevado contenido de almidón en sus raíces, entre el 20% y el 30%, es fácil de cultivar, presenta baja exigencia edafoclimática y se puede producir a lo largo de casi todo el año. Para la producción de bioetanol, las raíces de mandioca se deben pelar, lavar y moler, pasándolas luego a cocederos y, sucesivamente, a los tanques para sacarificación del almidón, en procesos similares a los empleados en el bioetanol de maíz. Con índices de productividad industrial semejantes a los analizados para el maíz, una tonelada de mandioca in natura, con cerca de 25% de almidón, permite producir 170 litros de bioetanol.

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El trigo (Triticum spp.), otro cultivo que posee almidón, también es utilizado en la producción de bioetanol mediante un proceso industrial bastante similar al utilizado para el maíz. En ese caso, la productividad agrícola y la productividad industrial típicas son, respectivamente, 7,5 toneladas por hectárea y 240 litros de bioetanol por tonelada de granos procesados resultando en una producción de 1.800 litros por hectárea cultivada.

Entre los cultivos que producen azúcar, además de la caña, la remolacha azucarera (Beta vulgaris) ha sido utilizada para la fabricación de bioetanol, utilizando su miel residual (melaza) siempre disponible en la producción industrial de sacarosa. Esa hortaliza tiene una raíz tuberosa, en la que se acumulan cantidades importantes de azúcar, y presenta una productividad entre 50 y 100 toneladas por hectárea y contenidos de sacarosa del orden del 18%. Puede alcanzar índices de productividad agroindustrial bastante elevados, del orden de los 7.500 litros de bioetanol por hectárea cultivada, similares a la caña. El procesamiento industrial de la remolacha comienza con su limpieza y fraccionamiento en trozos finos, que siguen hacia un difusor, en el cual son lavados en agua caliente para liberar su azúcar. El líquido resultante de esa operación contiene, aproximadamente, el 16% de sólidos solubles extraídos de la remolacha, y se lo procesa de forma análoga al jugo de caña, para azúcar o para bioetanol. Con una tonelada de tubérculos se producen, normalmente, 86 litros de bioetanol y 51 kg de una torta fibrosa que se puede utilizar para la alimentación animal.

Conclusiones:

La producción de bioetanol presenta las siguientes ventajas y desventajas

Ventajas

1. Prevención del cambio climático mediante menos emisiones de gases invernadero. El bioetanol producido a partir de materias primas sostenibles es, aparte del consumo de energía necesario para su producción, completamente neutral con respecto a la emisión de CO2.

2. Es posible ahorrar hasta un 70 % de los gases invernadero.

3. Protección de los recursos fósiles.

4. Tecnología con oportunidades para zonas rurales. Se abren para la agricultura nuevos mercados de consumo.

5. Más eficiente que los combustibles convencionales para motores Otto. La ventaja del bioetanol son sus propiedades químicas favorables. Tiene un octanaje claramente más alto que la gasolina, prácticamente no contiene azufre y es biodegradable.

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Desventajas

1. La principal desventaja derivada de la producción de bioetanol a partir de este tipo de biomasa es el elevado coste de la materia prima, ya que dichas biomasas están ligadas al mercado alimentario, lo que repercute en el precio final del producto.

2. En definitiva, el bioetanol es una fuente de energía renovable prometedora, pero el principal problema para su producción es el uso de materia prima a la industria alimenticia, lo que establece el dilema de si usar hectáreas de tierra para cultivos dedicados a productos alimenticios o para bioetanol.

Biodiesel a partir de Microalgas

La situación actual debida al agotamiento de los combustibles fósiles, incremento del precio del petróleo y dificultades ambientales, demanda urgentemente fuentes alternas de energía siendo una opción promisoria el biodiesel; biocombustible producido primordialmente a partir de aceites provenientes de plantas oleaginosas.

Ventajas:

El uso de microalgas para la producción de biodiesel es una alternativa ventajosa debido al elevado contenido de lípidos y perfil idóneo para la obtención del biocombustible que éstas ofrecen. Otros atributos de las microalgas son su elevada eficiencia fotosintética, su capacidad de crecer tanto en aguas marinas, dulces, residuales y salobres, así como su velocidad de crecimiento relativamente alta.

Desventajas:

No obstante, los sistemas de cultivo de microalgas actualmente presentan ciertas limitantes tales como la escasez de información para su escalamiento, la dificultad para el mantenimiento de monocultivos, los elevados costos de operación para la producción y recolección de la biomasa de microalgas, entre otros.

LA FORMA MÁS VENTAJOSA DE LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL

Existen diversas metodologías para la producción de biodiesel, cuatro de ellas han sido estudiadas exhaustivamente: uso directo de aceites o mezclas de éstos con dieselfósil, microemulsiones, pirolisis y transesterificación. La aplicación de las tres primeras alternativas en motores diesel es impráctica e insatisfactoria, ya que ocasiona problemas tales como la obstrucción de los inyectores, la formación de depósitos de carbono, la combustión incompleta, el golpeteo en el motor, el desgaste excesivo del mismo, el daño del lubricante, etc.

La transesterificación o alcohólisis es la reacción química ocurrida entre los aceites (triacilglicéridos) y un alcohol (comúnmente metanol, etanol, propanol o butanol) para

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producir glicerol y alquil ésteres de ácidos grasos, los cuales son conocidos como biodiesel.

Los principales factores que influyen en el proceso son:

* La relación molar alcohol-glicéridos.

* El tipo de catalizador (álcali, ácido, lipasas).

* La temperatura.

* El tiempo de reacción.

* El contenido de agua y ácidos grasos libres en la materia prima.

Reacción de transesterificación.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS MICROALGAS

Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes (cianobacterias) y eucariontes, que se localizan en hábitats diversos tales como aguas marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de temperaturas, pH y disponibilidad de nutrientes; se les considera responsables de la producción del 50% del oxígeno y de la fijación del 50% del carbono en el planeta. Su biodiversidad es enorme, se han identificado alrededor de 40,000 especies aunque se estima que existen más de 100,000, de las cuales con frecuencia se desconoce su composición bioquímica y metabolismo.

Las microalgas se clasifican de acuerdo a varios parámetros tales como pigmentación, ciclo de vida, morfología y estructura celular. Las especies más estudiadas para aplicaciones biotecnológicas corresponden a las algas verdes y a las diatomeas.

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USO DE LAS MICROALGAS PARA LA OBTENCIÓN DE LÍPIDOS

En la actualidad se ha detectado el uso de lípidos microalgales para la producción de biodiesel, ya que es una alternativa que asegura satisfacer o reemplazar la demanda global de petrodiesel. Esta tecnología es prometedora dadas las ventajas que ofrece en contraste con las plantas oleaginosas, tales como: mayor eficiencia fotosintética; eficacia superior en la asimilación de nutrientes; y periodos cortos de producción sostenida durante todo el año, a causa de los breves tiempos de duplicación de las microalgas. Los cultivos microalgales son independientes de la estacionalidad inherente a los cultivos agrícolas y de la fertilidad del suelo, condición que posibilita prescindir de herbicidas y pesticidas y además, permite emplear territorios marginales e inclusive zonas no aptas para la agricultura, ganadería, industria y turismo.

Una ventaja adicional estriba en la posibilidad de obtener subproductos (proteína, carbohidratos, biopolímeros, pigmentos, biogás, etc.) a partir de la biomasa microalgal residual una vez que los lípidos han sido extraídos.

Finalmente, la ventaja competitiva más importante del biodiesel de microalgas, consiste en los rendimientos lipídicos por unidad de área considerablemente superiores a los obtenidos con plantas oleaginosas.

Una de las estimaciones más conservadoras para el rendimiento anual de biodiesel microalgal, como se indica en la tabla siguiente es una alternativa prometedora, en comparación con otras fuentes de materia prima (lípidos).

EL CONTENIDO LIPÍDICO DE LAS MICROALGAS

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Las microalgas con elevadas productividades lipídicas son deseables para la elaboración de biodiesel, razón por la cual la cantidad de lípidos contenidos en la biomasa y la velocidad de crecimiento, sumados a la eficiencia metabólica y la robustez del microorganismo, son parámetros relevantes para su selección

La determinación del contenido oleaginoso de las microalgas resulta complicada a causa de su variación ante condiciones distintas de cultivo; el crecimiento en ambientes desfavorables o bajo situaciones de estrés, frecuentemente conlleva al incremento de la fracción lipídica, aunque en detrimento de la productividad lipídica del cultivo. Los lípidos comprendidos en las microalgas por lo general constituyen del 20 al 50% de su peso seco, sin embargo se han reportado valores en un rango del 1 al 80%, o incluso superiores:

:

ESQUEMA DEL PROCESO

La producción de biodiesel a partir de microalgas es un proceso conformado, en términos generales, por las etapas elementales de producción de biomasa rica en lípidos,

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recuperación o cosecha de la biomasa, extracción de lípidos y transesterificación, como se indica en la siguiente figura:

SISTEMAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOMASA

Abiertos

Los sistemas empleados con mayor frecuencia en la producción de biomasa microalgal son los de tipo abierto, que a pesar de sus formas y tamaños diversos, destacan por asemejar el entorno natural de las microalgas.

Los cultivos abiertos comprenden sistemas naturales (lagos, lagunas, estanques), artificiales, de superficie inclinada y estanques tipo circuito donde estos últimos son los de uso más extendido. Los estanques tipo circuito,

consisten en circuitos de 15 a 30 cm de profundidad, en los cuales una rueda de paletas mantiene un flujo constante del cultivo; las producciones y productividades biomásicas factibles en estos sistemas son bajas, próximas a 1 g/L y a 10-25 g/m2/d,

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respectivamente. Las ventajas inherentes a los cultivos abiertos radican en su sencillez y su bajo costo de inversión en contraste con sistemas cerrados, a causa de la diversidad de materiales útiles para su construcción (concreto, tierra, plástico, etc.) y la facilidad que ofrecen para su operación y mantenimiento.

Cerrados

Los sistemas cerrados, en contraste con los abiertos, ofrecen numerosas ventajas tales como pérdidas mínimas de CO2, riesgo reducido de contaminación, control y reproducibilidad de las condiciones de cultivo, ahorro de agua y nutrientes, menores requerimientos de superficie, flexibilidad de diseño, cortos periodos de producción (2 a 4 semanas) y productividades considerablemente superiores (5 a 13 veces).

Los fotobioreactores cerrados, con el propósito de colectar la mayor cuantía posible de energía solar por unidad de superficie, presentan configuraciones diversas, tubulares (vertical, horizontal, helicoidal, conformación α), páneles planos y columnas de burbujeo, principalmente. Los reactores tubulares y de panel plano son los de uso más frecuente; habitualmente están conformados por dos unidades, una de recolección de luz y otra de transferencia de gases.

RECUPERACIÓN DE LA BIOMASA

Una vez que la biomasa de microalgas ha sido producida en alguno de los sistemas descritos, se da inicio a la etapa de cosecha o recolección, cuyo propósito es el de remover el agua y concentrar las células microalgales para su posterior procesamiento. Esta etapa, como se ha mencionado, influye notablemente en los costos de producción del biodiesel, por lo que la selección de una técnica de recolección eficiente y de bajo costo es trascendental. La centrifugación, sedimentación, filtración y floculación, ya sea individualmente o combinados, son los procedimientos de cosecha más comunes, cuya aplicación depende de las propiedades de la especie de microalga cultivada (morfologías particulares, presencia de vacuolas gaseosas, etc.), ya que algunas presentan características que facilitan su recolección.

EXTRACCIÓN LIPÍDICA

A partir de la biomasa cosechada se extraen los aceites mediante procedimiento tales como lixiviación con solventes orgánicos, principalmente hexano. Sin embargo, algunos

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inconvenientes de esta técnica de extracción son los costos y la energía adicionales necesarios para la recuperación del solvente, además de la contaminación de la biomasa microalgal libre de lípidos, restringiendo así las posibilidades para el posterior aprovechamiento de este co-producto. En esta década, se han propuesto variantes para la lixiviación con solventes orgánicos, tales como la extracción in situ a partir de células vivas de microalgas o el acoplamiento de la etapa de extracción lipídica con la de transesterificación, no obstante, tanto su aplicación a gran escala, como su factibilidad económica, deben ser evaluadas. Asimismo, la extracción mediante prensado ha sido sugerida aunque, a pesar de no implicar el uso de solventes, su eficiencia es menor a la de la lixiviación.

Luego de esto se procede al proceso de transesterificación descrito anteriormente, y así se obtiene como producto final el BIODIESEL.

Biogás

Introducción

El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, compuesta de compuestos orgánicos que provienen de los restos de organismos que alguna vez estuvieron vivos, tales como plantas y animales y sus productos de residuo en el ambiente natural, mediante la acción de microorganismos y otros factores, en ausencia de oxígeno (esto es, en un ambiente anaeróbico). Este gas se ha venido llamando gas de los pantanos, puesto que en ellos se produce una biodegradación de residuos vegetales semejante a la descrita.

La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo considerado útil para tratar residuos biodegradables, ya que produce un combustible de valor además de generar un efluente que puede aplicarse como acondicionador de suelo o abono genérico.

Composición

Es una mezcla constituida por metano (CH4) en una proporción que oscila entre un 50% y un 70 % en volumen, y dióxido de carbono (CO2), conteniendo pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y sulfuro de hidrógeno (H2S)

Formación de materia orgánica

Todos los organismos vivos están formados de compuestos orgánicos, que contienen carbono e hidrogeno, formando enlaces carbono - carbono e hidrogeno - hidrogeno. En muchos otros casos contienen también elementos como oxigeno, nitrógeno, azufre, fósforo y halógenos, entre otros. Mientras están vivos ellos secretan o excretan materiales orgánicos tales como materia fecal que luego comienza a descomponerse por acción de bacterias y hongos haciendo posible la formación de moléculas grandes de materia orgánica por polimerización de diversas cadenas cortas producto de materia descompuesta.

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La materia orgánica natural puede variar mucho, dependiendo de su origen, modo de transformación, edad, y medio ambiente, por lo tanto sus funciones bio-físicas-químicas presentan gran variación dependiendo de los tipos de ambientes.

Características

El biogás tiene como promedio un poder calorífico entre 18,8 y 23,4 mega julios por metro cúbico (MJ/m³). Este gas se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante turbinas o plantas generadoras a gas, en hornos, estufas, secadores, calderas u otros sistemas de combustión a gas, debidamente adaptados para ese uso.

Cuando el gas se procesa para obtener biogás natural concentrado y comprimido (BNCC), puede ser utilizado para inyectarse en la red de gas natural o usarse para el funcionamiento de vehículos a motor.

Principales factores que afectan la producción de gas

La actividad metabólica involucrada en el proceso metano génico se ve afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a esos cambios no es posible dar valores cualitativos sobre el grado que afecta cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa. Por lo tanto nos limitaremos a dar una valoración cualitativa y en algunos casos se darán cifras y cuadros que deben tomarse como orientativos ya que los valores pueden sufrir importantes variaciones.

Entre los factores más importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes: el tipo de sustrato (nutrientes disponibles); la temperatura del sustrato; la carga volumétrica; el tiempo de retención hidráulico; el nivel de acidez (pH); la relación Carbono/Nitrógeno; la concentración del sustrato; el agregado de inoculantes; el grado de mezclado; y la presencia de compuestos inhibidores del proceso.

Tipo de materia prima

Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a los excrementos animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las industrias (producción de alcohol, procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes, alimenticias en general), restos de cosechas y basuras de diferentes tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas. El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores).

Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas. Sin embargo en la digestión de ciertos desechos industriales puede presentarse el caso de ser necesaria la adición de los compuestos enumerados o bien un post tratamiento aeróbico

Las sustancias con alto contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos previos (cortado, macerado) a fin de liberar las sustancias factibles de ser transformadas de las incrustaciones de lignina.

En lo atinente a estiércoles animales la degradación de cada uno de ellos dependerá fundamentalmente del tipo de animal y la alimentación que hayan recibido los mismos

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ESPECIE PESO VIVO Kg ESTIERCOL/DIA % CH4

Cerdos 50 4,5 - 6 65 - 70

Vacunos 400 25 - 40 65

Equinos 450 12 - 16 65

Ovinos 45 2,5 63

Aves 1,5 0,06 60

Caprinos 40 1,5

Temperatura

Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4º a 5 ºC y no se debe sobrepasar una máxima de alrededor de 70 ºC. Se realiza generalmente una diferenciación en tres rangos de temperatura de acuerdo al tipo de bacterias que predominan en cada una de ellas.

TIPO DE BACTERIA TEMPERATURA

Psiccrofílicas Menor a 20°C

Mesofílicas Entre 20 y 40°C

Termofílicas Mayor de 40°C

Velocidad de carga volumétrica

Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención.

Existen diferentes formas de expresar este parámetro siendo los más usuales los siguientes: kg de material/día; kg de materia seca/día; kg de sólidos volátiles/día todos expresados por metro cúbico de digestor. Las cantidades de sólidos y sólidos volátiles se extraen afectando a las cantidades en kg de material cargado con los porcentajes de sólidos o sólidos volátiles que se obtiene por análisis (porcentaje de sólidos sometiendo al sustrato a desecación, 105ºC hasta peso constante y extrayendo el siguiente coeficiente: (peso húmedo - peso seco)/peso húmedo. El porcentaje de sólidos volátiles se obtiene sometiendo la muestra seca a la mufla, 560ºC durante tres horas y extrayendo el siguiente coeficiente: 1 ((peso seco - peso ceniza)/peso seco)).

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Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada, debido a que una misma cantidad de material degradable podrá ser cargado con diferentes volúmenes de agua.

Tiempo de retención

Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas discontinuos o Bach” donde el T:R: coincide con el tiempo de permanencia del sustrato dentro del digestor. En los digestores continuos y semi continuos el tiempo de retención se define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria.

De acuerdo al diseño del reactor, el mezclado y la forma de extracción de los efluentes pueden existir variables diferencias entre los tiempos de retención de líquidos y sólidos debido a lo cual suelen determinarse ambos valores. El T.R. está íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material.

La relación costo beneficio es el factor que finalmente determinará la optimización entre la temperatura y el T.R., ya varían los volúmenes, los sistemas paralelos de control, la calefacción y la eficiencia.

Con relación al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor proporción de carbono retenido en moléculas resistentes como la celulosa demandará mayores tiempos de retención para ser totalmente digeridos.

MATERIA PRIMA TIEMPO DE RETENCION

Estiércol vacuno líquido 20 - 30 días

Estiércol porcino líquido 15 - 25 días

Estiércol porcino líquido 20 - 40 días

Valores de pH

Una vez estabilizado el proceso fermentativo el pH se mantiene en valores que oscilan entre 7 y 8,5. Debido a los efectos buffer que producen los compuestos bicarbonato-dióxido de carbono (CO2 - HCO3) y Amonio -Amoníaco (NH4-NH3) el proceso en sí mismo tiene capacidad de regular diferencias en el pH del material de entrada.

Las desviaciones de los valores normales es indicativo de un fuerte deterioro del equilibrio entre las bacterias de la faz ácida y la metano génica provocado por severas fluctuaciones en alguno de los parámetros que gobiernan el proceso.

Contenido de sólidos

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La movilidad de las bacterias metano génicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y producción de gas. Por otro lado podemos encontrar en la literatura datos de producciones de gas importantes logradas en rellenos sanitarios con un alto contenido de sólidos. En este punto tampoco existen reglas fijas; mediciones realizadas utilizando mezclas de estiércoles animales en agua han determinado que para digestores continuos el porcentaje de sólidos óptimo oscila entre el 8% y el 12%.

Inhibidores

La presencia de metales pesados, antibióticos y detergentes en determinadas concentraciones pueden inhibir e incluso interrumpir el proceso fermentativo.

Cuando es demasiado alta la concentración de ácidos volátiles (más de 2.000 ppm para la fermentación mesofílica y de 3.600 ppm para la termofílica se inhibirá la digestión. También una elevada concentración de Nitrógeno y Amoníaco destruyen las bacterias metano génicas.

Diseño de Experimentos

Diseño de experimento Bio-Butanol (fermentacion ABE).

En la tabla siguiente se resumen las condiciones favorables para la fermentación ABE a partir del microorganismo Clostridium acetobutylicum ATCC 824.

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Para hacer el dieño de experimentos a partir de estos datos tomamos

pH

6 (+1)

4 (-1)

Concentración de butanol (supuestos optimo concentraciones <14 g/l)

15 (+1)

13 (-1)

Concentración de sustrato (glucosa, supuesto optimo 60-80 g/l)

55 (+1)

85 (-1)

Concentración de solventes (supuesto optimo concentración <20g/l)

21 (+1)

19 (-1)

A B C D E F G H I J K L M N O PpH + + + + - + + + - - - + - - - -Butanol + + + - + + - - + + - - + - - -Sustrato + + - + + - + - + - + - - + - -Solvente + - + + + - - + - + + - - + -

Matriz de Taguchi producción de bio-butanol (fermentación ABE)

Diseño de experimentos bioetanol.

Se pretende evaluar la influencia de los factores principales asociados a la fermentación de melazas por parte de la levadura Saccharomyces cerevisiae, mediante el desarrollo de un diseño factorial 24 en el cual, mediante un análisis estadístico, se evalúa la influencia de la concentración de melaza, la temperatura de fermentación, el pH inicial del medio y el microorganismo empleado (levadura de panadería aislada de procesos fermentativos a escala piloto y Saccharomyces cerevisiae ATCC 9763).

Las variables elegidas como independientes en el diseño experimental fueron:

1- La concentración de azúcares iniciales en el medio (°Bx),

2- El pH inicial del medio ,

3- La temperatura de fermentación (°C)

4- El tipo de cepa de Saccharomyces cerevisiae.

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Las variables de respuesta o variables dependientes de interés son la producción de etanol (ETA, g/L) y la generación de biomasa (DCEL, cel/ml). Se seleccionan estas variables de operación por ser las de mayor importancia y de común seguimiento durante un proceso a nivel piloto e industrial. Los valores de cada uno de estos factores se seleccionaron de acuerdo a los valores límite, habituales en este tipo de procesos. Las variables independientes son codificadas con valores -1 (al nivel inferior) y +1 (al nivel superior) para factores continuos (variables A, B, C). Para factores discretos como el tipo de cepa se emplea -1 y +1 indistintamente. En la tabla 13 se presentan los factores y el dominio experimental, mientras que en la tabla 14 se presenta la matriz de experimentos.

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Fuentes:

http://quimica.laguia2000.com/compuestos-quimicos/glicerol

Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México.

“Bioquímica de los microorganismos” By Ramon Parés i Farràs, Antonio Juárez Giménez.

“Producción de biobutanol mediante fermentación ABE a partir de suero lácteo”. (Efecto de suplementar el medio de fermentación con nutrientes esenciales). Universidad de Valladolid , alumna Rebeca Díez Antolínez

https://investigadoraenapuros.wordpress.com/2011/06/19/biobutanol-iv/ “Diseño conceptual de un fermentador para la producción de n-butanol a partir de

glucosa empleando Clostridium acetobutylicum ATCC 824” Universidad industrial de Santander.

“Microbiología” By Roger Y. Stanier, Julio R. Villanueva.

http://fciencias.ugr.es/practicasdocentes/wp-content/uploads/guiones/RectificacionMezclasBinarias.pdf.

http://epsem.upc.edu/~intercanviadorsdecalor/castella/evaporadors.html

http://www.bdigital.unal.edu.co/2334/1/angelicamariaalzateibanez.2010.pdf

http://www.cid.unal.edu.co/files/news/051122_produccion_de_etanol_a_partir_de_yuca.pd

http://www.inaut.unsj.edu.ar/Files/1699_04.pdf

http://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108596/mod_resource/content/0/Clase%206%20.pdf

http://www.azucarledesma.com.ar/Produccion.php

https://quimiart.files.wordpress.com/2012/05/evaluacic3b3n-del-proceso-de-produccic3b3n-de-etanol-carburante-a-partir-de-cac3b1a-azucarera-remolacha-azucarera-y-mac3adz.pdf

http://mic.gob.do/media/7455/Proceso%20de%20Producci%C3%B3n%20del%20Etanol%20%28Modelo%20Dominicano%29.pdf

http://www.bioetanoldecanadeazucar.org/

http://www.gunt.de/download/CE640_flyer_spanish.pdf

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http://www.agrowaste.eu/wp-content/uploads/2013/02/FERMENTACION-ALCOHOLICA.pdf

http://www.bio4.com.ar/productos_etanol.php

http://argentinainvestiga.edu.ar/diario_virtual/1.0/listado/noticia.php?titulo=bacterias:_materia_prima_de_los_biocombustibles&id=1141#.VU0Fsvmqqko

http://www.ceid.edu.ar/biblioteca/biocombustibles/alvarez_blanco_fajardo_sanchez_thevenet_biodiesel_a_parti.pdf

http://porquebiotecnologia.com.ar/index.php?action=cuaderno&opt=5&tipo=1&note=58

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