Ingeniero Civil en Biotecnología / Ingeniero Civil en Química / El actual escenario energético del planeta, y la baja diversidad de la matriz energética de Chile, ha terminado por generar la necesidad de encontrar nuevas fuentes de combustibles. Combustibles que resulten menos contaminantes para el medio ambiente, y que permitan un desarrollo sustentable del país. Ante esta necesidad se alzan los biocombustibles. Chile no posee las ventajas competitivas de EE.UU. y Brasil para la producción de biocombustibles de primera generación, por lo que debe concentrar sus esfuerzos en la producción de biocombustibles de segunda generación utilizando diversos residuos lignocelulósicos, la variabilidad de suelos, y los diferentes climas a lo largo de su territorio. Es en esta situación que esta memoria se sitúa, como parte del proyecto FONDECYT de iniciación 11110368 y el programa Domeyko Energía. La memoria consistió en estudiar la fermentación de mezclas de medios de glucosa, derivados a partir de diferentes residuos lignocelulósicos, los cuales fueron pretratados previamente por hongos de pudrición blanca. Preguntas como la posible existencia de sinergias, inhibiciones, y cómo contribuyen estos residuos lignocelulósicos en el producto de bioetanol buscaron ser respondidas en este trabajo. El desarrollo de experiencias se diseñó a partir de hidrólisis y fermentaciones separadas (HFS). Primero se seleccionaron los residuos lignocelulósicos (rastrojos de maíz, rastrojos de trigo, y residuos de eucalipto) pretratados por hongos de pudrición blanca (Ganoderma applanatum, Lentinus edodes, y Stereum hirsutum), los cuales pasaron a continuación por idénticos procesos de sacarificación utilizando hidrólisis enzimática (1 [g] peso seco de residuo lignocelulósico, 40 [CBU] de Novozyme® 188, 2,5 [FPU] de Celluclast® 1,5 L, 75 [µL] de Tween® 20, 29,8 [mL] de tampón Acetato de Sodio 0,05 M y pH:4,8, por 72 [hrs] a 50 [°C] y 200 RPM), siendo posteriormente diluidas las concentraciones obtenidas de glucosa a 2 [g/L] para su posterior fermentación. Dichas fermentaciones se efectuaron usando la levadura Saccharomyces cerevisiae cepa Ethanol Red® (Red Star), los medios fermentados correspondieron a caldos con la cantidad de glucosa total fijada en 2 [g/L], en forma de mezclas o individualmente (10 [mL] de fase líquida sacarificada diluida a 2 [g/L], 9 [mL] de medio nutritivo compuesto de extracto de levadura-Fosfato de Amonio-Sulfato de Magnesio, 1 [mL] de inóculo de levadura, por 72 [hrs] a 40 [°C] y 200 RPM). Las mediciones de bioetanol fueron efectuadas en un cromatógrafo de gases, y mediciones de abundancias naturales de isótopos estables de 13C en un espectrómetro de masas. Para la determinación estadística de diferencias significativas entre resultados, se aplicaron los tests paramétricos: ANOVA, Tukey-Kramer, y los tests no-paramétricos: Kruskal-Wallis, Dunn-Sidak. Los resultados obtenidos mostraron que la mezcla de medios con glucosa de distintos sustratos genera efectos inhibitorios y sinergias. Las sinergias ocurrieron a partir de todas las mezclas fermentadas de rastrojos de maíz y residuos de eucalipto (10,5% en promedio sobre lo esperable), y las inhibiciones se generaron a partir de todas las mezclas fermentadas de rastrojos de maíz y rastrojos de trigo (467,5% en promedio menos de lo esperable). Además, se determinó que la contribución al producto final de bioetanol por parte de rastrojos de trigo y residuos de eucalipto es mayor (65,6% en promedio,) que la efectuada por los rastrojos de maíz (34,4% en promedio). En consecuencia, la glucosa con origen de plantas C3 generalmente tiene una mayor contribución que la glucosa con origen de plantas C4 en el producto de bioetanol. Se concluyó a partir de los resultados obtenidos que el principal factor que posiblemente influyó en los rendimientos de bioetanol fue la concentración de ácidos hidroxicinámicos en el medio de fermentación, la cual estaría determinada mayormente por la estructura lignocelulósica de los residuos y el tipo de hongo de pudrición blanca. En relación a la contribución por parte de las plantas C3 y C4 al producto final de bioetanol, se concluyó que esta situación se debió a una preferencia de la levadura Saccharomyces cerevisiae cepa Ethanol Red® (Red Star) por incorporar a sus productos de fermentación moléculas de glucosa isotópicamente más livianas, las cuales poseen velocidades de difusión y colisión más elevadas, además de tener energías de enlace menores. Este último párrafo, permite asentar las bases para continuar la investigación de fermentaciones de medios de cultivo que contienen glucosa derivada de dos sustratos distintos (e.g. análisis de inhibidores), y como siguiente paso una optimización del proceso en post de encontrar las mejores alternativas de producción de bioetanol de segunda generación.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero Forestal

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Ingeniera Civil en Biotecnología / Los combustibles fósiles son cada vez más escasos y la contaminación ambiental sigue en aumento, por lo que es imprescindible la búsqueda de nuevas fuentes de energía. Una alternativa es la producción de bioetanol, la cual se puede realizar a partir de residuos de biomasa forestal, lo que es bastante conveniente para la situación chilena, ya que la industria forestal es una de las más importantes en este país. Este trabajo de memoria consistió en estudiar distintas condiciones del proceso productivo del bioetanol, a partir de residuos de Eucaliptus globulus Labill (eucalipto) como material lignocelulósico. La primera parte de este estudio consistió en utilizar líquidos iónicos protonados (PILs) en la etapa de pre-tratamiento, con condiciones de operación de 30 o 60 minutos a 60, 70, 80 y 90°C. En este caso, se obtuvo pequeños aumentos en el rendimiento de la sacarificación al utilizar acetato de 2-hidroxydietilamonio (2-HDEAA) y lactato de 2-hidroxyetilamonio (2-HEAL) en el pre-tratamiento. El mejor resultado se obtuvo con 2-HEAL a 70°C, durante 30 minutos, aunque este rendimiento no supera el 4%. En la segunda parte de este estudio, se analizaron distintas condiciones de operación en la etapa de pre-tratamiento, de secado y de lavado del proceso productivo del bioetanol. En la etapa del pre-tratamiento, se utilizaron dos líquidos iónicos aprotonados (AILs): [EMIM][Cl] y [EMIM][Ac]. En los estudios en los que se utilizó [EMIM][Cl] no se obtuvieron buenos resultados, ya que los rendimientos no superaron el 6%, lo que se debe a las impurezas que presentó el LI utilizado. En el caso del [EMIM][Ac] se obtuvieron muy buenos resultados, ya que se los rendimientos fueron de hasta un 63%, lo que equivale a obtener 351 mg de glucosa / gr de material pre-tratado. Si se compara este resultado con resultados anteriores (con [EMIM][Cl]), en los cuales el mejor rendimiento corresponde de 185 mg de glucosa / gr de material pre-tratado, se obtiene un aumento del 90% en el rendimiento. La última etapa de este estudio correspondió a la sacarificacion y fermentacion simultáneas, en las cuales se analizaron distintas cargas de biomasa, LI en el pre-tratamiento y distintos métodos de obtención del inóculo de levaduras. Los mejores rendimientos se obtuvieron con una carga de biomasa del 5%, con el material pre-tratado con [EMIM][Ac] y con el inóculo obtenido sin propagación, equivalentes a un rendimiento de 412 litros de etanol por tonelada de material pre-tratado. Al comparar estos resultados con los mejores obtenidos en estudios previos, se observó un aumento de un 182% en el rendimiento. Finalmente, con el rendimiento de 412 litros de etanol por tonelada de material pre-tratado, y buscando reemplazar el 2% o un 5% del requerimiento de gasolina para el año 2012, se logra cubrir un 1,2% o un 0,5% de la demanda de este combustible respectivamente. Para obtener mejores porcentajes de cobertura se debe optimizar este proceso productivo, o se podría aumentar la cantidad de material disponible, para esto se propone el uso de cultivos dendroenergéticos de eucalipto. Como conclusión al trabajo realizado, se estima conveniente continuar este estudio, con el fin de aumentar el rendimiento del proceso productivo del bioetanol. Para esto se recomienda realizar más estudios con 2-HDEAA, 2-HEAL y con [EMIM][Ac], ya que estos presentaron los mejores resultados. Por otro lado, se recomienda estudiar el reciclaje de líquidos iónicos, ya que se deben reducir los costos de este proceso productivo.

Ingeniero Civil Químico / Producto de la crisis energética actual y el consumo proyectado al futuro, se están buscando maneras de diversificar la matriz de energía, abriéndose a diversas opciones de preferencia renovables. La gasificación de biomasa es una ellas y consiste en la oxidación parcial de las moléculas de carbono para obtener un gas con valor energético. La empresa ENERCOM, proveedora de equipos de combustión y secado, actualmente posee un gasificador del tipo downdraft con angostamiento. Sin embargo, algunas características del equipo lo hacen poco atractivo para la industria, principalmente, el régimen de operación batch, los despuntes de madera como materia prima y la seguridad. Por ello, se decide a considerar una operación en continuo y con pellets. El objetivo de este trabajo es diseñar un reactor continuo para gasificación de biomasa. Para ello, es necesario analizar desde el punto de vista técnico el reactor actual y determinar si es posible, bajo las condiciones requeridas, modificarlo para llevarlo a su aplicación industrial o se requiere de un diseño nuevo. Tras esa decisión, proponer los principales parámetros. Mediante un estudio del mercado de los gasificadores, se determina que el diseño downdraft es el que más se utiliza a nivel industrial y puede operar con pellets en continuo. Luego, con la ayuda de un modelo de balances de masa y energía, se logra predecir el funcionamiento del equipo en continuo, obteniendo de la composición del gas producto y el perfil de temperaturas. Se decide mantener el diseño downdraft con angostamiento. Esto implicará incluir un sistema de alimentación, para lo que se propone un tornillo sin fin alimentado desde una tolva. También, se requiere de un extractor de cenizas, para lo que se proponen dos ideas: i. tornillo sin fin, similar al de alimentación; o ii. tornillo de extracción húmeda (tornillo de Arquímedes), que retiraría ceniza suspendida en agua. Internamente, el diseño no necesita cambios importantes. No obstante, se requiere reducir la separación entre los rieles de la parrilla que sustenta la materia prima y agregar un vibrador que remueva las cenizas. Además, se propone agregar unos perfiles que ayuden a la caída del pellet y al paso de los gases a lo alto del equipo. Finalmente, se plantean lazos de control en la temperatura y presión para dar seguridad a la operación. Además, se propone un sistema de encendido automático. Todo esto permitirá operar remotamente el reactor, sin exponer a los operarios. Se cumple el objetivo principal de este trabajo. Se observa que cambiando el reactor actual a una operación continua con pellets, el uso efectivo de la energía de la madera aumenta de un 55% a un 73%. Esto se debe a un mejor aprovechamiento de la materia prima, que aumenta la producción de gas pobre de 1,9 [kg] por cada kilogramo de madera cargada a 2,2 [kg]. Se propone para futuros trabajos analizar la factibilidad económica del proyecto. También, sería bueno considerar de todas formas un nuevo diseño y sus respectivos estudios para la gasificación de pellets alimentados de forma continua.

Los biocombustibles son una alternativa a los combustibles derivados del petróleo. En particular, el bioetanol podría reemplazar en forma parcial el uso de la gasolina, sin modificaciones a los motores y con la ventaja de ser renovable y tener un menor impacto ambiental. El proceso de producción de bioetanol a partir de residuos forestales comienza con un pretratamiento de la materia prima mediante diversos métodos que permiten incrementar la eficiencia de la etapa de hidrólisis de la celulosa. A su vez, esta hidrólisis permite obtener glucosa que es fermentable por microorganismos como la levadura Saccharomyces cerevisiae. Como producto de la fermentación se obtiene el etanol, el cual luego debe ser llevado a una pureza del 99,5%. Por otro lado, a partir de corrientes secundarias del proceso se pueden obtener subproductos, lo que se conoce como biorefinería, o también se pueden utilizar para generar energía térmica y eléctrica, lo que se conoce como cogeneración. En el presente trabajo se evaluaron técnica y económicamente diversas alternativas de producción de bioetanol a partir de residuos forestales, variando el pretratamiento de la biomasa y los coproductos obtenidos, con el objetivo de determinar aquella alternativa con mayor potencial económico. Los pretratamientos considerados fueron: explosión a vapor, organosolv y líquidos iónicos, y los coproductos: energía mediante cogeneración y productos de biorefinería (lignina, levadura y xilitol), considerando toda las combinaciones posibles entre éstos. El estudio consistió en diseñar el proceso correspondiente, realizar los balances de masa y energía y luego integración energética, dimensionar los equipos, confeccionar el layout, estimar los costos de capital y de operación y los ingresos, construir el flujo de caja, obtener los indicadores financieros, y realizar un análisis de sensibilidad respecto de los parámetros críticos, para cada una de las alternativas consideradas. A partir del estudio realizado se determinó que la alternativa con mayor potencial en términos de los indicadores financieros obtenidos es aquella con pretratamiento de explosión a vapor y obtención de coproductos de biorefinería. En este caso se obtuvo un VAN de 50,9 [MMUS$], una TIR del 19,3%, un ROI del 29% y un PRI de 6 años, considerando un procesamiento de 1.200 ton de residuos y una obtención de 240 m3 de bioetanol al día. Adicionalmente, se concluyó que en las condiciones actuales la explosión a vapor es preferible en términos de rentabilidad sobre el organosolv, y éste sobre el pretratamiento con líquidos iónicos (que resultó ser no rentable), mientras que la biorefinería es preferible sobre la cogeneración. Sin embargo, se plantea que existen potenciales escenarios futuros en que esta situación podría cambiar, dado que las técnicas de organosolv y particularmente líquidos iónicos pueden ser mejoradas y el precio de los insumos requeridos puede disminuir. Finalmente, dado que se determinó que el proceso con explosión a vapor y biorefinería es rentable y aquel con mayor potencial económico en la actualidad, se recomienda continuar a un estudio de prefactibilidad sobre dicha alternativa para la producción de bioetanol a partir de residuos forestales en Chile.

No autorizada por el autor a ser publicada a texto completo / El material lignocelulósico utilizado en el proceso de producción de bioetanol de segunda generación debe pasar por las siguientes etapas: molienda y tamizado, pretratamiento, sacarificación y fermentación, purificación del etanol producido. Resultados de estudios anteriores sugieren que el pretratamiento con líquidos iónicos (IL) aumentaría notablemente la liberación de azucares desde el dicho material. En consecuencia, el objetivo del presente trabajo fue determinar las mejores condiciones de pretratamiento con IL y sacarificación y fermentación simultánea (SSF) para la producción de bioetanol a partir de residuos de trigo y maíz provenientes de los campos de la zona central de Chile. El estudio se dividió en 2 etapas principales: en una primera etapa se buscó encontrar las mejores condiciones de pretratamiento de este tipo de material con el líquido iónico [EMIM+][Cl-] usando las hidrólisis enzimática posterior como criterio para evaluar la calidad del pretratamiento. En la segunda etapa se estudió la fermentación y sacarificación simultánea (SSF) de las muestras de maíz y trigo previamente pretratadas con [emim+][Cl-].De la primera etapa se puede concluir que la variable que afecta de manera significativa el pretratamiento es el tiempo de contacto con el LI, siendo las mejores condiciones en el rango estudiado: un tiempo de pretratamiento de 60 [min]; razón de peso biomasa a peso LI de 1:3, temperatura 150 [ºC]. Al comparar con resultados de estudios anteriores se obtuvo que en el caso trigo este pretratamiento libera un 25% más de glucosa en la hidrólisis enzimática que el pretratamiento con ácido diluido y un 40% más que las mejores condiciones de pretratamiento con hongos de pudrición blanca, tanto para trigo como para maíz. En la segunda etapa se realizó la SSF de muestras de maíz y trigo pretratado con hongos de pudrición blanca y con IL bajo distintas condiciones de operación, manteniendo constantes la temperatura de fermentación en 37 [ºC], el volumen de trabajo en 40 [ml], el microorganismo (M.O.) fermentador (Saccharomyces cerevisiae Red Star) y el tiempo de fermentación en 72-120 [h]. De estos experimentos se concluye que la concentración de material lignocelulósico fermentado afecta significativamente la producción de etanol producido en la fermentación SSF y que, cuando la concentración inicial de microorganismos es alta (1 [g.p.s./L]), la concentración de enzimas también produce diferencias significativas en la producción de etanol . Además, cuando la concentración inicial de enzimas es baja (5 [FPU de celulasa/g]), la concentración inicial de M.O. produce diferencias significativas en la producción de etanol. Las mejores condiciones de operación para la SSF son: pretratamiento con líquido iónico [EMIM+][Cl-] en razón 1:3 a 150 [ºC] durante 60 [min], concentración de sustrato: 1 [g/ 40 ml], concentración enzimas: 20 [FPU de celulasa/g], concentración inicial M.O: 1 [g.p.s./L]. Bajo estas condiciones se alcanza el rendimiento teórico de etanol en fermentaciones (0.511 [g etanol/g glucosa]), produciendo 313 [L etanol/ton de material pretratado]. En conclusión, la fermentación SSF de material pretratado con IL produce resultados alentadores por lo cual se sugiere continuar con este estudio. Se sugiere realizar estudios a mayor escala, utilizar M.Os. capaces de fermentar un mayor espectro de azúcares y realizar un estudio sobre el contenido de azúcares del material post pretratamiento.