Tecnología España , Salamanca, Miércoles, 20 de abril de 2005 a las 14:01

Investigadores de la Universidad de Salamanca estudian mejoras en la fabricación industrial del bioetanol

El Departamento de Ingeniería Química y Textil trabaja para incrementar el transporte y la transferencia de oxígeno durante el proceso de fermentación

Ana Victoria Pérez/DICYT El equipo de investigación que coordina Miguel Ángel Galán, catedrático del Departamento de Ingeniería Química y Textil de la Universidad de Salamanca, se encuentra inmerso en el estudio de la mejora de la producción de bioetanol: un combustible líquido fácil de transportar y que tiene como origen materia vegetal, lo que lo convierte en una fuente de energía de alto valor ecológico que se obtiene del calentamiento y posterior fermentación de restos orgánicos. Precisamente este proceso es el que analizan los investigadores salmantinos para mejorar el transporte y la transferencia de oxígeno, lo que favorece la acción de las levaduras que hacen posible la fermentación.

 

El proyecto cuenta con el apoyo de la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología y, según ha explicado a DICYT el profesor Galán, “el objetivo principal del proyecto es descifrar los factores que determinan la cantidad de oxígeno que pasa desde una burbuja a un líquido cuando ambos entran en contacto, lo que se conoce como coeficiente de transferencia, para posteriormente utilizar dichos datos en la fabricación de herramientas industriales más eficientes".

En Castilla y León se utiliza como materia prima para fabricar bioetanol una molienda extraída de los restos del trigo y cebada que es tratada con una serie de enzimas para desprenderla del almidón que contiene. Posteriormente vuelve a tratarse la mezcla con otras enzimas que favorecen la licuefacción haciendo que el producto resultante comience a fermentar.

“Esta fermentación es muy similar a la que tiene lugar durante la fabricación del vino. Para acelerarla e incrementar su rendimiento a la mezcla de licuada se le añaden levaduras que necesitan oxígeno para desempeñar su función”, explica el profesor Galán.

El problema con el que se encuentran técnicos, industriales e investigadores es que las burbujas de oxígeno circulan con mucha dificultad a través de una mezcla tan viscosa y caliente (se mantiene a una temperatura de 150 grados centígrados) como la que se obtiene de la molienda de cereales tras su licuefacción. Miguel Ángel Galán apunta que “para solventar el problema se utilizan platos perforados como sistema de burbujeo, pero para incrementar su eficacia sería necesario conocer el flujo de transferencia de oxígeno que se genera alrededor de la burbuja durante su formación y movimiento a través de la fase líquida”.

La oscilación es la clave

Mariano Martín y Elena Díaz son dos de los investigadores del equipo que coordina el profesor Galán. Ambos trabajan traduciendo al lenguaje matemático los secretos de las burbujas. "Utilizamos pequeños tanques de agua como simuladores, a los que trasferimos oxígeno para observar el proceso de formación de las burbujas. Este proceso es grabado y reproducido en el ordenador a cámara lenta, lo que nos ha permitido conocer algunas de las pautas que favorecen la transferencia de oxígeno. Por el momento sabemos que cada vez que la burbuja oscila, (se contrae), se produce la liberación del oxígeno. Además hemos podido determinar que a mayor superficie de contacto entre la burbuja y el líquido la cantidad de gas transferida es también mayor", explica Mariano Martín.

Otro fenómeno relevante que este joven investigador ha reproducido a través de ecuaciones matemáticas es el de la coalescencia, como se denomina el fenómeno de unión entre dos burbujas. "Cuando se produce la unión de dos burbujas la oscilación es mayor, con lo que la transferencia de oxígeno también debería incrementarse. El problema es que una burbuja grande ofrece menos superficie de contacto que dos burbujas menores, con lo que la transferencia de oxígeno en realidad disminuye", asegura Mariano Martín.

De la misma manera los investigadores han incorporado a su estudio variables que condicionan los resultados. El profesor Galán explica que "tal y como hemos advertido, la formación y transporte de oxígeno a través de las burbujas cambia cuando se modifica la viscosidad del agua. Para simular las condiciones que se producen en un tanque de fermentación añadimos al líquido carboximetilcelulosa. Una especie de pasta de papel que incrementa su viscosidad".

Los resultados obtenidos en los pequeños tanque simuladores con los que trabaja Mariano Martín son contrastados y depurados en simuladores más grandes, como la columna de agua de dos dimensiones con la que trabaja Elena Díaz. Posteriormente y para contrastar la robustez de las ecuaciones Miguel Ángel Galán precisa que será necesario realizar ensayos profesionales con biorreactores como los que utilizan las plantas industriales, aunque antes se harán aproximaciones parciales con modelos de dos, 10 y 20 litros.

 

Así funciona una planta de bioetanol
El proceso para obtener el biotenol son básicamente tres: moler el grano y mezclarlo con agua; calentarlo a elevadas temperaturas para separar sus componentes; y por último, conseguir la fermentación hasta obtener el grado de concentración deseado. 

De este modo, el trabajo que se realiza en una planta comienza por moler la materia prima, por ejemplo en el caso del grano de cereal, se muele hasta que se consigue una granulometría determinada, es decir, un polvo de un determinado tamaño de partícula. Después, se hace una suspensión empapándolo con agua hasta obtener una mezcla con el porcentaje deseado. Este fluido se traslada a otro tanque en el que se aumenta la temperatura hasta 90 ó 120 grados centígrados en función del tipo de proceso y producto que se está tratando. Allí se mantiene un tiempo determinado para que se produzca el proceso químico que rompe las estructuras de almidón y aumenta la viscosidad de la suspensión. Es en este punto del proceso cuando se añaden enzimas para romper las cadenas moleculares que forman el almidón y de esa manera ir separando los diferentes componentes. Esta ruptura de cadenas moleculares permite obtener moléculas (maltodextrinas) más adecuadas al producto final que se busca.

Concluido el proceso anterior, al que se llama liquefacción, se inicia la sacarificación, en la que también interviene otro tipo de enzima, en este caso, para conseguir liberar los azúcares sencillos para que puedan ser utilizados por las levaduras en la siguiente etapa, que es la fermentación. Estas etapas son delicadas y es importante controlar algunas condiciones como el ph (acidez del medio) o temperatura. Una vez que se obtienen los azúcares, ya se puede fermentar el producto.

En los fermentadores se añaden levaduras y se controlan los parámetros del proceso, concentración de azúcar, el ph y la temperatura y concentración de etanol. Después, en unas torres de rectificación se separan los diferentes compuestos, de modo que se obtiene una sustancia compuesta por el 96% de etanol y 4% de agua. La siguiente etapa es la deshidratación, que al eliminar el agua permite obtener una mezcla que llega a tener etanol al 99%. Este etanol es el que se mezcla con la gasolina para ser utilizado ya directamente.

En total el proceso puede tener una duración diferente, dependiendo del tipo de cultivo y los tiempos que requiera, pero generalmente oscila entre las 48 y las 72 horas.