MX2011000632A - Obtención de etanol grado industrial a partir del mucílago de café para usarlo como biocombustible. - Google Patents

Abstract

La presente invención trata de un proceso de obtención de etanol grado industrial que puede ser usado como biocombustible. Actualmente se obtiene etanol para este fin mediante la fermentación biológica de los azúcares obtenidos de diversas fuentes vegetales tales como: caña de azúcar, maíz, sorgo, remolacha y hemicelulosas diversas, sin embargo, sus costos como materia prima son elevados. Es por eso que se emplea una nueva fuente de obtención de azúcares que es el mucílago del fruto del café. El mucílago de café es una sustancia viscosa rica en azúcares que recubre al grano y resulta como un deshecho del proceso de beneficio del fruto tirándolo a ríos y lagos, donde se convierte en un contaminante por su alta concentración de ácidos fenólico. En este proceso, se obtiene el mucílago empleando un desmucilaginador que raspa el mucílago del grano de café sin dañarlo y una prensa mecánica que extrae el mucílago adherido en la pulpa, el extracto se concentra por evaporación en ollas industriales donde se pasteuriza deteniendo el proceso natural de fermentación, a una temperatura de 110°C durante 2 hrs o hasta obtener una concentración de 65° Brix. El concentrado es inoculado con la levadura sacharomyces cereviseae a razón de 30 g por Kg de mucílago y fermentado por 24 hrs a 32 °C. El producto de la fermentación llamado mosto, se filtra usando filtros de acero inoxidable y el filtrado se destila con un destilador industrial a una temperatura de 80 °C de donde resulta el producto final que es etanol al 65 % v/v. El rendimiento obtenido bajo este proceso es de 560 ml por Kg de mucílago.

Description

1 "OBTENCIÓN DE ETANOL GRADO INDUSTRIAL A PARTIR DEL MUCÍLAGO DE CAFÉ PARA USARLO COMO BIOCOMBUSTIBLE" 1. DESCRIPCIÓN 2 I. Esfera o campo de la técnica a la que se aplica: Ciencias de la Ingeniería /Energéticos / Energías alternas y biocombustibles. Proceso para la obtención de etanol grado industrial y no potable que se emplea en la industria energética como oxigenador de gasolinas o directamente como combustible después de un proceso de deshidratación. 3 II. El estado de la técnica conocida: Actualmente, la obtención de etanol se basa mayormente en la fermentación alcohólica de los azúcares extraídos de la caña de azúcar ya sea en forma de miel pobre, miel rica o jugo hidrolizado obtenidos como subproductos en los ingenios azucareros, secundariamente, también se obtiene etanol a partir del maíz, de la remolacha, de la yuca y del sorgo mediante la hidrólisis del 4 almidón que dichos productos contienen, y recientemente, se ha obtenido de materiales celulósicos empleando enzimas hidrolizadoras. Los fermentos así obtenidos son sometidos a técnicas simples de destilación en dos o tres etapas resultando de ello un producto final compuesto de una mezcla de alcohol etílico más agua en una proporción mínima de 55:45 v/v respectivamente, conocido como alcohol etílico o etanol 5 (Ver Dibujo 1). Fuente: Amador Villalpando, Octavio A./'Biocombustibles: una mirada a la coyuntura de 2007", revista Economía Informa, Facultad de Economía, UNAM, vol. 350, enero-febrero de 2008. Disponible en: www.ejournal.unam.mx/ecu/ecunaml6/ECU001600606. pdf +nom+para+etanol+como+combustible&cd=3&hl=es&ct=clnk&gl=mx 1 III. La divulgación de la invención. La invención consiste en obtener alcohol etílico (etanol) de una nueva fuente de azúcares alterna a las ya existentes, adecuando para ello un proceso específico de acondicionamiento de la materia prima y posteriormente utilizando técnicas de fermentación alcohólica y destilación simples ya existentes en procesos similares practicados en las alcoholeras de caña de azúcar. Se 2 trata de usar el mucflago del fruto del café (Corlea arábica sp.) que es una sustancia gelatinosa rica en azúcares que recubre al grano (Ver Dibujo 2), como fuente de obtención de azúcares para su fermentación. Actualmente, el mucflago resulta como un subproducto del beneficio húmedo del café en la operación de lavado del grano (Ver Dibujo 3) que se deshecha tirándose a cuerpos de agua de las comunidades 3 cafeticultoras, por tanto los productores no perciben ningún ingreso por concepto de la venta del mismo; es un desperdicio. El mucflago desechado contiene ácidos fenólicos resultantes de la reducción natural de azúcares que contiene convirtiéndose en un potencial contaminante de ríos y lagos. La novedad en esta invención es la utilización de un producto de deshecho altamente contaminante como fuente de azúcares y 4 convertirlo en un biocombustible aprovechable en la industria energética, junto con su respectivo proceso de acondicionamiento de la materia prima que también es específico para esta invención. En el dibujo 4 se presenta el detalle de la operación de acondicionamiento de la materia prima y también se señalan las etapas consecuentes hasta la obtención del producto final que es el etanol con una concentración alcohólica 5 del 65% v/v.

IV. Descripción de los dibujos o figuras: En el dibujo 1 se esquematiza el estado actual de la técnica utilizada para la obtención 6 de etanol señalando las distintas fuentes de obtención y las líneas de proceso que sigue cada uno, es notable que una vez acondicionada la materia prima, las etapas de fermentación y destilación no difieren en ninguno de los casos. 1 En el dibujo 2 se muestran claramente las fracciones mayores componentes de un fruto de café (coffea arábica sp.) y se señala la posición del mucílago dentro del grano.

En el Dibujo 3 se esquematiza el proceso de beneficio del café señalando la separación del mucilago del grano y de la pulpa mediante una despulpadora acoplada a un 2 desmucilaginador y una prensa, respectivamente. El desmucilaginador es un equipo actualmente utilizado en el proceso de beneficio del café para reducir el tiempo de lavado del grano. La prensa es un equipo mecánico utilizado para la extracción casera de jugos de piña o naranja, adecuado para este nuevo proceso. Necesariamente, se señalan detalles del desmucilaginador y de la prensa, correspondiendo el efecto 3 conjunto de ellos junto con la operación del "concentrado del extracto" a la etapa de "Acondicionamiento de la materia prima". El 12% del peso total del fruto del café corresponde al mucílago. Bajo las acciones descritas anteriormente, se logra extraer hasta el 80% del mucílago del fruto. 4 En el Dibujo 4 se muestran las operaciones propias de la etapa de "Acondicionamiento" que es específica para tratar el mucílago de café como materia prima del proceso, así como las etapas subsecuentes hasta la obtención del producto final. Como se observa una vez despulpado el café al inicio del proceso de beneficio del grano, se obtienen 3 fracciones del fruto: El grano compuesto de 2 semillas, La pulpa o 5 cáscara que recubría al grano y El mucílago que se encuentra adherido sobre la superficie del grano y en la parte interna de la pulpa. El mucílago adherido al grano es separado empleando un desmucilaginador mecánico que consta de un gusano metálico que frota el grano contra una malla metálica raspando literalmente el mucílago de la superficie del grano sin dañarlo, este equipo ya existe para dicha labor y lo utilizan las fincas cafetaleras para acelerar el proceso de beneficiado del café y disminuir el 6 consumo de aguas de lavado haciendo al proceso más ecológico. Por otra parte la pulpa separada del grano aún contiene cierta cantidad de mucilago por lo que es 1 comprimida usando una prensa mecánica que consta de 2 placas cóncavas metálicas; una sólida y otra perforada, que al comprimir permite la salida del líquido que a su vez se recupera sumándose al volumen del extracto obtenido en el desmucilaginador. La prensa mencionada no existe para tal fin, por lo que fue diseñada específicamente para este proceso. El mucílago recién extraído contiene na concentración de azúcares 2 totales que varía entre el 16 y el 19 % determinado mediante un brixómetro portátil que determina la cantidad de solidos solubles en un líquido. Una vez obtenido el mucílago se procede a la concentración del extracto en marmitas de acero inoxidable evaporando el concentrado por un tiempo máximo de 2 hrs a 110 °C o bien hasta alcanzar una concentración del 60 al 65 % de azucares totales, este procedimiento es 3) necesario para pasteurizar el concentrado deteniendo con ello la fermentación natural de los azúcares, al mismo tiempo se reduce su volumen para facilitar su manejo y permite la estandarización del proceso de fermentación sin la intervención de microorganismos que puedan alterar la eficiencia del proceso. La siguiente etapa es la inoculación o adición de la levadura sacharomyces cereviseae, que es una levadura 4) empleada comúnmente en la fabricación del pan casero y en la producción de cerveza y vinos comerciales, en una razón de 30 g por g de mucílago concentrado. Una vez inoculado el mucílago comienza la etapa de fermentación del mismo en un tanque de fermentación comercial de acero inoxidable que permanece tapado aunque su tapa permite la liberación del bióxido de carbono que es un gas que se libera durante 5) la fermentación, además el tanque tiene una serie de resistencias eléctricas controladas por un tablero digital que permite realizar el proceso a una temperatura de 32 °C que es el valor sugerido por el fabricante de la levadura para su mejor desarrollo. Así también en esta etapa se controla el pH del mucílago concentrado que inicialmente es ligeramente ácido presentando valores de acidez que van de 6.2 a 6.8, determinados 6) empleando un potenciómetro digital Beckman como instrumento de medición. El pH predeterminado para eficientizar el proceso de fermentación según recomendaciones del fabricante de la levadura y que en esta invención se emplea para realizar este proceso es de 5.0 a 5.5 usando ácido acético para alcanzar dicho valor. Bajo estas 1 condiciones, en la fermentación se logra disminuir el 65 % de los sólidos solubles, en un tiempo de 18 horas, es decir que la concentración de grados Brtx se reduce de 65 hasta 12 o 14 ° Brix. En esta etapa también se controla la temperatura que es de 32 °C para mejor desarrollo de (a levadura. La fermentación dura 24 hrs. Al producto final de la fermentación se le conoce técnicamente como "mosto" que es una mezcla de etanol, 2 Bióxido de carbono, agua, levaduras y celulosas. La etapa consecuente con la fermentación es el filtrado del mosto empleando un filtro de acero inoxidable con malla metálica de 1 mm de diámetro donde quedan retenidas las levaduras en forma de callos o grumos y coágulos celulósicos que no fermentaron resultando de esta operación un liquido turbio compuesto de agua y alcohol y residuos celulósicos finos. La levadura y 3 los restos celulósicos que quedan en el filtro, son separados por decantación dejando reposar por 24 hrs o hasta observar la separación de fases ya que la levadura flota. La levadura se recupera para su reutilización y los restos celulósicos se utilizan para la producción de abono orgánico por composteo o descomposición. Concluido el filtrado, se procede a la destilación utilizando para ello un destilador industrial simple 4 sometiendo el filtrado a una temperatura de 80 °C en una destilación que dura alrededor de 3 hrs por L de etanol recuperado. Los restos celulósicos resultantes de la destilación, también son transformados en abono orgánico por composteo. El rendimiento neto de etanol al 65% es de 560 mi por g de mucílago y se necesitan 12 Kg de café en fruto para obtener 1 Kg de mucílago. El producto final es envasado en 5 tambos plásticos de 200 L.

V. La mejor manera o método conocido para ejecutar la invención. El modo más práctico para llevar a cabo el proceso expuesto, es instalando plantas alcoholeras en zonas productoras de café que mediante un sistema de acopio de materia prima muy 6 similar al empleado por los ingenios azucareros, donde se programan rutas de acopio de acuerdo a la fecha probable de cosecha del grano y a la distancia de las parcelas a la planta alcoholera, acapare y procese el mucílago resultante del proceso de beneficio del 1 café. Para ello es necesario proveer a cada finca cafetalera al menos de un desmucilaginador y una prensa para la recuperación de la materia prima.

VI. Las posibilidades de utilización o aplicación. El proceso expuesto puede emplearse en todas las regiones productoras de café del país que cumplan con el único requisito de contener una concentración cercana o superior al 20 % de azúcares en el 2 mucílago del grano para garantizar los rendimientos obtenidos bajo las condiciones señaladas. Por otra parte, puesto que la operación de beneficio del café es similar en todas las fincas cafetaleras, es posible empotrar las etapas del proceso sin afectarla calidad del grano del café que sigue siendo el producto principal de la producción cafetalera. La dimensión y rendimiento del proceso en cuanto a volumen procesado 3 3 de materia prima y volumen de etanol producido dependerán de las características de la zona de acaparamiento de la materia prima en relación a la superficie cultivada, compactación de las fincas, distancia a la planta procesadora y condiciones climáticas que afectan la síntesis de azúcares en los frutos.

Claims (4)

1 2. REIVINDICACIONES

1. La Norma Oficial Mexicana NOM-076-SSA1-1993 - Salud ambiental, modificada en el 2002 define al etanol (alcohol etílico) como aquel obtenido de la fermentación de 2 azúcares y con contenido alcohólico mayor de 55°GL para uso industrial y no potable. El etanol grado industrial se emplea en la industria energética como oxigenador de gasolinas o bien como combustible de motores automotrices. El proceso de obtención de etanol emplea diversas fuentes de azúcar es como materia 3 prima, siendo las principales: La caña de azúcar con sus distintos subproductos fermentando la sacarosa contenida en el jugo mediante levaduras; Los almidones obtenidos del maíz, de la remolacha, de la yuca y del sorgo; y Los materiales lignocelulósicos mediante una hidrólisis enzimática. Las etapas principales del proceso son: El acondicionamiento de la materia prima, El proceso de fermentación alcohólica 4 empleando levaduras, El filtrado del fermento y La destilación para recuperar el producto final. La parte característica del proceso objeto de ésta solicitud de patente es el uso de una materia prima como fuente de azúcares para la fermentación distinta a las ya conocidas, empleando las técnicas de fermentación alcohólica y destilación simples 5 similares a las utilizadas en las alcoholeras de caña de azúcar descritas en el párrafo anterior. Se trata de usar el mucílago del fruto del café {Coffea arábica sp.) que es una sustancia gelatinosa rica en azúcares que recubre al grano como fuente de obtención de azúcares para su fermentación. Actualmente, el mucflago resulta como un subproducto del beneficio húmedo del café en la operación de lavado del grano que se 6 deshecha tirándose a cuerpos de agua de las comunidades cafeticultoras, covírtiéndose en un residuo sin valor. El mucílago desechado contiene ácidos fenólicos resultantes de la reducción de azúcares que contiene transformándose en un potencial contaminante de ríos y lagos. La novedad en esta invención es la utilización de un producto de 1 deshecho altamente contaminante como fuente de azúcares y convertirlo en un biocombustible aprovechable en la industria energética.

2. La primera etapa del proceso industrial de producción de etanol es conocida como la de "Acondicionamiento de la materia prima" y engloba todas las operaciones previas a la 2 etapa de fermentación y su fin principal es obtener un mosto o jugo fermentable rico en azúcares. Las operaciones en esta etapa son distintas y específicas a cada tipo de materia prima, así por ejemplo, para la caña de azúcar se emplean cuchillas para triturar los canutos de caña y molinos para extraer el jugo, en ese caso la etapa finaliza con la deposición del extracto en tanques de sedimentación para eliminar restos de fibras o 3 materiales extraños. En el presente proceso el acondicionamiento de la materia prima es una etapa única del mismo por lo que también es objeto de protección. Este acondicionamiento consta de 3 fases principales y son las siguientes: Primeramente se separa el mucílago del fruto empleando un desmucilaginador mecánico que consta de un gusano metálico que frota el grano contra una malla metálica raspando literalmente 4 el mucílago de la superficie del grano sin dañarlo. El desmucilaginador es un equipo existente para dicha labor y utilizado en algunas fincas cafetaleras para acelerar el proceso de beneficiado del café. Una segunda etapa corresponde al tratamiento que se da a la pulpa que resulta de la operación de despulpado. La pulpa separada del grano aún contiene cierta cantidad de mucilago por lo que es comprimida usando una prensa 5 mecánica que consta de 2 placas cóncavas metálicas; una sólida y otra perforada, que al comprimir permite la salida del líquido que a su vez se recupera sumándose al volumen del extracto obtenido en el desmucilaginador. Esta prensa es similar a la empleada para la extracción casera de jugos de fruta, y se ha adecuado para este nuevo proceso. I_a Tercera fase de esta etapa de "Acondicionamiento" es la 6 Concentración del extracto, esta fase parte del mucílago recién extraído, mismo que contiene una concentración de azúcares totales que varía entre el 16 y el 19 % determinado mediante un brixómetro portátil. Una vez obtenido el mucílago se procede a la concentración del extracto en marmitas de acero inoxidable evaporando el 1 concentrado por un tiempo máximo de 2 hrs a 110 °C o bien hasta alcanzar una concentración del 30 al 35 % de azucares totales, este procedimiento es necesario para pasteurizar el concentrado deteniendo con ello la fermentación natural de los azúcares, disminuyendo el volumen para facilitar su manejo y permitiendo el control del proceso de fermentación. 2

3. El presente proceso se basa en cuatro etapas principales que son: a) "La extracción y acondicionamiento de la materia prima", b) "La fermentación alcohólica del mucñilago", c) "El filtrado del mosto o fermento" y d) "La destilación del fermento filtrado". Las variables fisicoquímicas utilizadas específicas para cada etapa de este proceso son: 3 a) La extracción y acondicionamiento de la materia prima. 1) Temperatura de concentración 110 °C. 2) Tiempo de concentración: 2 hrs 4 3) Contenido de azúcares del concentrado: 60 a 65 °Brix b) La fermentación alcohólica del mucílago.

4) Temperatura de fermentación: 32 °C 5 5) pH de fermentación: 5.5 6) Acidificador del extracto concentrado: Ácido acético. 7) Tiempo de fermentación: 24 hrs. 8) Agente termentador: Levadura Sachammices Cereviseae. 9) Razón del agente fermentados 30 g de levadura/ 1 Kg de mucílago. 6 c) El filtrado del mosto o fermento. 10) criba metálica: lmm de abertura. d) La destilación del fermento filtrado. 11) Temperatura de destilación: 80 °C 12) Tiempo de destilación: 3 hrs/Litro de etanol. 2 13) Concentración del alcohol destilado: 65 °G.L. Tiempo total del proceso en planta: 29-32 hrs. Rendimiento total del proceso en planta: 560 mi de etanol al 65% v/v por Kg de 3 mucílago concentrado de 60 a 65 °Brix.