Del maíz al etanol: mejorando el proceso de fermentación con NIRS
9 ago 2021
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La producción de biocombustibles a partir de materias primas renovables ha crecido enormemente en los últimos años. El bioetanol es una de las alternativas más interesantes a los combustibles fósiles, ya que se puede producir a partir de materias primas (renovables) ricas en azúcares y almidón.
La fermentación del almidón de maíz para producir etanol para combustible es un proceso bioquímico complejo que requiere el control de varios parámetros para garantizar una producción óptima. La medición de estos parámetros a través de técnicas de laboratorio tradicionales tarda aproximadamente una hora en completarse y es un paso limitante para aumentar la capacidad y la eficiencia de la planta. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) puede reemplazar el análisis de laboratorio de rutina, disminuyendo los costos operativos y aumentando la eficiencia y la capacidad de la planta.
Obtenga más información sobre esta técnica de análisis rápida y no destructiva en nuestras diferentes series de publicaciones de blog, que incluyen los beneficios de usar NIRS y algo preguntas frecuentes.
Beneficios de la espectroscopia NIR: Parte 1
Preguntas frecuentes sobre el análisis de espectroscopia de infrarrojo cercano - Parte 1
Producir etanol de alta calidad como aditivo para combustibles
El etanol es un componente cada vez más importante en el mercado mundial de combustibles, y los países buscan asegurar el suministro interno de combustible y reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en relación con los combustibles fósiles. Estados Unidos y Brasil lideran la producción mundial de bioetanol, con el 83% del suministro.
Según la Asociación de Combustibles Renovables, en 2020 se produjeron a nivel mundial aproximadamente 26 mil millones de galones (casi 100 mil millones de litros) de etanol [1], ligeramente reducido desde un pico de 2019 debido a que la pandemia mundial también aplastó la demanda de gasolina y etanol. Es probable que aumente la demanda de maíz para transformarlo en etanol a medida que Estados Unidos aumente la adopción de mezclas E15 (15 % de etanol en gasolina) [2]. También es probable que aumente la demanda de etanol para exportación, con países como China implementando un estándar de combustible E10 para vehículos motorizados.
Una de las principales formas de satisfacer la creciente demanda de productos mientras se mantiene la competitividad de los precios es aumentar la capacidad de la planta. Sin embargo, el flujo de trabajo analítico de laboratorio estándar para monitorear las diferentes partes del proceso de fermentación puede ser un factor limitante para hacer crecer un sitio de producción o mejorar su eficiencia. Otra consideración es la variación estacional e incluso regional de la calidad de la materia prima, lo que requiere que los productores de etanol controlen de cerca el proceso de fermentación para garantizar que se logre el mismo producto de calidad.
Un informe del Laboratorio Nacional de Energía Renovable estimó que casi el 40 % del costo de producción del etanol combustible a partir de maíz proviene de la mano de obra, los suministros, los gastos generales y los costos operativos variables [3]. La optimización de estos costos, que incluyen los controles de calidad de rutina del caldo de fermentación, el mantenimiento regular de los fermentadores y las torres de destilación, y la clasificación oportuna de las anomalías en el proceso, conduce a mayor rentabilidad de la planta de producción de etanol.
Para maximizar la producción y la rentabilidad del bioetanol, se deben superar las limitaciones del laboratorio. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) es una forma económica, rápida y fácil de usar comprobada para superar las limitaciones comunes de laboratorio. Primero, se necesita un poco de información básica sobre la producción de bioetanol antes de saltar a cómo optimizar el proceso.
Proceso de etanol: molienda húmeda vs. seca
Hay dos procesos de producción principales cuando se trata de crear etanol a partir de azúcares y almidones a partir de materias primas como el maíz: el proceso de molienda en húmedo y el proceso de molienda en seco (que se muestra en Figura 1). Casi todo el etanol producido para combustible en los EE. UU. (el mayor fabricante de bioetanol del mundo) se elabora mediante el proceso de molienda en seco [2].
Los granos se muelen primero en partículas más pequeñas y homogéneas en el proceso de molienda en seco, lo que permite que la cáscara o la cáscara penetren más fácilmente. Luego se agregan agua y enzimas para crear una suspensión llamada «puré». Para facilitar la conversión de almidones en azúcares, el puré se calienta a temperaturas específicas y luego se enfría antes de agregar la levadura. La levadura realiza el trabajo de crear etanol a partir de los azúcares convertidos a través del proceso de fermentación. Sin embargo, el porcentaje de etanol todavía es bastante bajo, por lo que la solución debe destilarse y deshidratarse para obtener la concentración y pureza necesarias para los aditivos para combustibles.
La molienda en húmedo se diferencia de este proceso en que primero remoja los granos antes de moler y separar los diversos componentes. Luego, los almidones se convierten en azúcares que se utilizan para el proceso de fermentación, al igual que con la molienda en seco.
Si quieres saber más sobre el proceso de fermentación, lee nuestra entrada de blog sobre optimización de la elaboración de cerveza.
Déficits de análisis de laboratorio
El laboratorio cumple muchas funciones, pero una de las claves es monitorear el progreso de la fermentación en cada tanque de fermentación. Por lo general, esto requiere muchas tecnologías diferentes, porque se deben verificar varios parámetros para garantizar que la fermentación esté en el buen camino. Es necesario un seguimiento y un control estrictos de los diversos azúcares presentes (p. ej., glucosa, maltosa, DP3, etc.) durante todo el proceso de fermentación para comprender la vía de descomposición del almidón (generación de glucosa) presente en el macerado y optimizar la producción de etanol. La comprensión de esta vía permite la dosificación adecuada de enzimas y levaduras en el macerado en los tanques de purín (Figura 1) para acelerar la descomposición. Por lo tanto, optimizar la mezcla de enzimas y levaduras es crucial para este proceso. Estos son los costos de consumibles más altos para la producción de etanol y afectan significativamente la tasa de producción y el rendimiento final de etanol.
Algunos de los instrumentos analíticos más comunes y sus casos de uso se enumeran en tabla 1.
| Parámetro | Técnica de medición | Tiempo de análisis (min) incl. preparación de muestras |
| Sólidos disueltos (°Bx) | Refractómetro | 3–5 |
| pH | medidor de pH | 3–5 |
| Sólidos (no volátiles) | Equilibrio infrarrojo | 15–20 |
| Etanol | HPLC | 30–45 |
| Perfil de azúcar (DP2, DP3, DP4+, glucosa, azúcar total) |
HPLC | 30–45 |
| Glicerol | HPLC | 30–45 |
| Ácido láctico | Cromatografía iónica | 30–45 |
| Ácido acético | Cromatografía iónica | 30–45 |
| Contenido de agua | Valoración Karl Fischer | 5–10 |
Si todas las propiedades en tabla 1 se van a medir, puede tomar fácilmente una hora usando seis equipos diferentes. Considere los pasos de acondicionamiento y los escaneos de referencia para garantizar una calibración adecuada, y aumenta el tiempo para un análisis de fermentación de rutina. Para una sola fermentación de maíz, esto puede tomar más de 55 horas—una hora para realizar el análisis y seis horas entre cada medición. Sin embargo, aumentar el número de fermentaciones simultáneas a cuatro o seis significa que las mediciones de los diferentes tanques comenzarán a superponerse.
La superposición de la demanda de instrumentos combinada con largos tiempos de análisis da como resultado una serie de desafíos diferentes para los productores de bioetanol. Primero, si los tiempos de muestreo programados se superponen, entonces el muestreo debe retrasarse o las muestras deben envejecer mientras esperan el análisis. En segundo lugar, el largo tiempo de análisis significa que los datos ya no están actualizados, sino que tienen una hora o más de antigüedad en el momento en que se comunican al centro de control de la planta, lo que reduce la capacidad de lidiar con las desviaciones. Ninguna de estas situaciones es ideal para los fabricantes; después de todo, el tiempo es dinero.
Los largos tiempos de análisis de laboratorio y las mediciones poco frecuentes reducen la capacidad de realizar intervenciones o de ajustar otros parámetros críticos (por ejemplo, la tasa de adición de enzimas o la temperatura del proceso). Además, estos largos tiempos de espera pueden impedir la decisión de finalizar una fermentación antes de tiempo y comenzar de nuevo si se considera que el lote no se puede recuperar.
Mediciones más rápidas equivalen a mayores ganancias
La forma más obvia de superar los desafíos del tiempo de medición es aumentar la cantidad de herramientas en el laboratorio y/o agregar automatización. Sin embargo, este enfoque tiene costos en el tiempo; dos veces la preparación de la muestra aumenta los gastos operativos y aún no brinda retroalimentación de alta velocidad al equipo de operaciones de la planta.
Una mejor manera de superar los retrasos en el tiempo de medición es implementar la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS), que puede hacer todas las mediciones de laboratorio tradicionales con un solo equipo, al mismo tiempo, en menos de cinco minutos.
Figura 2 muestra la concentración promedio de etanol de las mediciones de HPLC durante varias fermentaciones de una planta. Los datos muestran aparentes discontinuidades en las primeras 12 horas, con picos en glucosa y sólidos disueltos. También es evidente que la medición de sólidos totales a las 48 horas es errónea. Sin embargo, debido a que los datos de laboratorio requieren mucho tiempo para recopilarse, este pico se ignora en lugar de volver a analizarse.
La alternativa NIRS a las mediciones tradicionales, mostrada en figura 3, es de una sola fermentación monitoreada casi en tiempo real. Este análisis de alta velocidad es posible porque la preparación de muestras es trivial para NIRS. En comparación con la combinación de HPLC y otros métodos analíticos que consumen alrededor de 60 minutos de tiempo del operador por muestra, NIRS mide los mismos parámetros y produce un resultado de calidad en aproximadamente un minuto. La capacidad de recopilar muchos espectros NIR en las primeras etapas del proceso de fermentación proporciona una imagen de mayor fidelidad, lo que permite intervenciones más oportunas para maximizar la producción de etanol.
El análisis NIRS de mayor velocidad se puede utilizar para aumentar el rendimiento total de la planta aumentando la cantidad de lotes y los ingresos, como se muestra en Tabla 2. Con el análisis tradicional se deja correr la fermentación 62–65 horas, en función de los resultados finales de laboratorio (Figura 2).
Con el análisis NIRS, se muestra que esta fermentación se completa en alrededor de 56 horas (figura 3). Reducir el tiempo de fermentación en seis horas amplía el número potencial de lotes en 13 en el transcurso de un año, lo que representa un aumento potencial de la capacidad de la planta del 10%.
| Análisis de laboratorio tradicional | Análisis NIRS | |
| Tiempo total de medición | 12 horas | 5 horas |
| Número de mediciones | 12 | 62 |
| Punto final de la fermentación | ~62 horas | 56 horas |
| Capacidad del lote | 37850 L | 37850 L |
| Lotes por año | 129 | 142 |
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Este documento técnico gratuito analiza las ventajas de la espectroscopia de infrarrojo cercano en comparación con las mediciones tradicionales (por ejemplo, HPLC), cómo la espectroscopia de infrarrojo cercano puede aumentar la capacidad de la planta, formas de disminuir los costos a través de intervenciones de proceso más efectivas y cómo Metrohm ofrece soluciones de etanol a través de la nube.
Descargue nuestro informe técnico gratuito a continuación para obtener más información.
Soluciones espectroscópicas de infrarrojo cercano para productores de etanol
Metrohm ofrece varias soluciones NIRS para que los productores de etanol faciliten el análisis y optimicen la producción. los Analizador de sólidos DS2500 (Figura 4) es ideal para el análisis rápido de laboratorio de varios parámetros de calidad críticos en el proceso de fermentación.
Descarga nuestro Nota de aplicación gratuita a continuación para obtener más información sobre cómo los instrumentos de laboratorio Metrohm NIRS realizan mediciones de control de calidad para el proceso de fermentación.
Control de calidad de los procesos de fermentación: determinación multiparamétrica en un minuto
Además, Metrohm también fabrica instrumentos NIRS para mediciones directamente en el proceso, eliminando la necesidad de retirar muestras y transportarlas al laboratorio. Las mediciones tomadas de esta manera son las más representativas de las condiciones reales del proceso y, por lo tanto, brindan datos de la más alta calidad a los operadores.
Obtenga más información aquí sobre nuestras diferentes gamas de analizadores de proceso NIRS y accesorios.
La comunicación de datos entre el analizador de proceso y la sala de control permite una visión general directa de las condiciones actuales sin demoras y ofrece la posibilidad de integrar advertencias cuando las lecturas están fuera de especificación o informar a los operadores cuando se considera que el proceso de fermentación está completo.
Para obtener más información sobre el uso de NIRS para el análisis de procesos en la producción de bioetanol, descargue nuestro Nota de solicitud de trámite gratuito.
Resumen
El análisis de infrarrojo cercano reduce el tiempo de medición de las muestras de fermentación en proceso en aproximadamente un 90 %, de una hora a cinco minutos. Las mediciones más rápidas permiten seguir el proceso de fermentación mucho más de cerca, ahorrando tiempo al operador para reducir costos y optimizar las condiciones del proceso y las operaciones de la planta. Las mejoras de capacidad del 10 % son posibles al poder detener las fermentaciones en función de la determinación rápida de los diferentes parámetros en el fermentador con NIRS en lugar de los métodos de laboratorio tradicionales más lentos.
La metodología NIR puede brindar beneficios en toda la planta de etanol más allá del monitoreo de la fermentación para medir el rendimiento de otros componentes de la planta, como una centrífuga o un secador, lo que la convierte en una herramienta valiosa para mejorar las operaciones en toda la instalación.
Tus conocimientos para llevar
Referencias
[1] Producción anual de etanol combustible Producción de etanol en EE. UU. y en el mundo. Asociación de Combustibles Renovables: Washington, DC, 2021. https://etanolrfa.org/estadísticas/producción-anual-de-etanol/
[2] Esencial Energía: perspectiva de la industria del etanol para 2021. Asociación de Combustibles Renovables: Washington, DC, 2021. https://etanolrfa.org/wp-content/uploads/2021/02/RFA_Outlook_2021_fin_low.pdf
[3] Determinación del costo de producción de etanol a partir de almidón de maíz y materias primas lignocelulósicas. Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL): Golden, Colorado, EE. UU., 2000. https://www.nrel.gov/docs/fy01osti/28893.pdf
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