Bioetanol: Stabilizaţi fermentarea şi distilarea pentru un randament maxim

În mod tradiţional, bioetanolul a fost produs prin fermentarea zaharurilor provenite din culturi alimentare de primă generaţie precum porumbul, trestia de zahăr, grâul şi sorgul. Pe măsură ce politicile globale de decarbonizare devin mai stricte, etanolul îşi extinde rolul ca alternativă cu emisii reduse de carbon la benzina de origine fosilă.

Industria se orientează tot mai mult de la materiile prime de primă generaţie către cele de generaţia a doua, cunoscute şi sub denumirea de materii prime celulozice, pentru a reduce emisiile pe întregul ciclu de viaţă şi pentru a limita concurenţa cu producţia alimentară. Materiile prime nealimentare, inclusiv reziduurile agricole, subprodusele forestiere şi culturile energetice dedicate, conţin zaharuri fermentescibile încorporate în structuri lignocelulozice care trebuie mai întâi descompuse.

Aceste materiale necesită etape suplimentare de pretratare şi hidroliză enzimatică pentru eliberarea zaharurilor fermentescibile din lignoceluloză. Tranziţia contribuie la reducerea suplimentară a emisiilor, însă creşte variabilitatea materiilor prime şi complexitatea proceselor biologice.

Dincolo de transportul rutier, cererea de etanol este în creştere într-o gamă largă de aplicaţii, inclusiv:

• Aviaţia, stimulată de dezvoltarea lanţurilor de producţie pentru combustibilii de aviaţie durabil (SAF)
• Industria chimică, unde etanolul este utilizat ca materie primă regenerabilă
• Aplicaţii industriale ale combustibilului, care susţin eforturile de decarbonizare ale proceselor mari consumatoare de energie

Adoptarea vehiculelor cu combustibil flexibil în mai multe regiuni şi dezvoltarea continuă a sectorului combustibililor de aviaţie durabili consolidează necesitatea unei producţii stabile şi cu randament ridicat. Pe măsură ce diversitatea materiilor prime creşte, menţinerea unui control riguros asupra proceselor de fermentare şi distilare devine esenţială pentru asigurarea unei conversii eficiente, a unei purităţi ridicate a produsului şi a unei funcţionări fără probleme a etapelor ulterioare de prelucrare.

Pe fondul accelerării iniţiativelor globale de decarbonizare, bioetanolul joacă un rol din ce în ce mai important în înlocuirea benzinei de origine fosilă şi în reducerea emisiilor pe întregul ciclu de viaţă. Statele Unite şi Brazilia rămân cele mai mari pieţe pentru etanol, susţinute de politici precum Standardul privind combustibilii din surse regenerabile (RFS) în SUA şi RenovaBio în Brazilia. Aceste cadre legislative continuă să stimuleze creşterea proporţiei de biocombustibili în amestecuri şi să recompenseze tehnologiile de producţie cu amprentă redusă de carbon.  

În India, una dintre pieţele de etanol cu cea mai rapidă creştere pentru etanol din lume, guvernul implementează la nivel naţional adoptarea combustibilului E20, program iniţiat în 2023 şi aflat în continuă extindere. Această dezvoltare susţinută amplifică cererea pentru etanol de înaltă puritate şi cu proprietăţi constante.

În Uniunea Europeană, Directiva privind energia din surse regenerabile (RED II/III) impune statelor membre creşterea ponderii energiei regenerabile în transporturi până la 29% până în 2030 sau atingerea unei reduceri cu 14,5% a intensităţii emisiilor de gaze cu efect de seră . Deşi directiva nu impune un nivel fix de amestec pentru etanol, aceste obiective stimulează adoptarea atât a etanolului de primă generaţie, cât şi a celui celulozic în întreaga regiune.

Creşterea cererii generează presiuni operaţionale tot mai mari asupra producătorilor de etanol pentru menţinerea unor randamente ridicate ale fermentării, controlul variabilităţii biologice şi stabilizarea consumului energetic al procesului de distilare. Fermentarea este deosebit de sensibilă şi abaterile – chiar şi minore – pot perturba întregul lanţ. Măsurarea precisă a parametrilor de proces şi controlul riguros al fermentaţiei sunt esenţiale pentru menţinerea eficienţei producţiei şi satisfacerea cerinţelor în continuă creştere ale pieţei globale de bioetanol.

Producţia industrială de bioetanol urmează, de regulă, trei etape principale:

1. Pregătirea materiei prime: materiile prime utilizate pentru producerea bioetanolului pot proveni din surse diverse. Materiile prime bogate în zaharuri, precum sucul de trestie de zahăr, sorgul sau melasa, pot fi fermentate direct. Materialele pe bază de amidon, cum ar fi porumbul sau grâul, sunt transformate în zaharuri printr-o combinaţie de tratament termic la temperaturi ridicate şi procese enzimatice. În timpul acestei etape de conversie, procesul de transformare a amidonului în zaharuri este monitorizat atent pentru optimizarea consumului energetic şi maximizarea cantităţii totale de zaharuri disponibile
2. Fermentarea: mustul pregătit este ajustat din punct de vedere al pH-ului şi al conţinutului de nutrienţi, apoi este inoculat cu drojdii. Fermentarea are loc în vase de mari dimensiuni prevăzute cu sisteme de agitare, unde temperatura, pH-ul şi gazele reziduale bogate în CO₂ rezultate din proces sunt monitorizate pentru menţinerea viabilităţii drojdiilor şi a eficienţei fermentării. Chiar şi abaterile minore pot reduce eficienţa conversiei sau pot conduce la formarea unor produşi secundari care afectează procesele ulterioare de separare
3. Distilarea şi deshidratarea: amestecul fermentat bogat în etanol („beer”) este transferat către sistemul de distilare, unde coloana de distilare separă etanolul de apă şi de solide prin încălzire controlată. Monitorizarea procesului de distilare, inclusiv măsurarea temperaturii şi a concentraţiei de etanol, determină eficienţa coloanei. Etapa finală de deshidratare aduce etanolul la puritatea necesară utilizării drept combustibil

Aceste etape influenţează direct randamentul producţiei de bioetanol şi consumul de energie, ceea ce face ca utilizarea unei instrumentaţii fiabile să fie esenţială pentru funcţionarea eficientă a instalaţiei.

Chiar şi atunci când procesele de fermentare şi distilare funcţionează în limitele nominale, pot apărea semne timpurii ale scăderii randamentului şi ale instabilităţii procesului. Aceste simptome reflectă, de regulă, deficienţe în controlul procesului de producţie a etanolului şi tind să apară înainte de declanşarea alarmelor.

• Loturi de fermentare care se încheie cu o concentraţie de etanol mai mică decât cea estimată
• Variaţii ale ratelor de consum al zaharurilor de la un lot la altul
• Formarea excesivă de spumă sau modele neobişnuite de degajare a CO₂
• Formarea crescută de produse secundare, precum acidul acetic sau glicerolul
• Consum energetic mai mare în procesul de distilare pentru atingerea purităţii ţintă
• Etanol neconform cu specificaţiile, cauzat de instabilitatea coloanei de distilare, manifestată prin fluctuaţii ale raportului de reflux, presiunii sau temperaturii

Aceste probleme reprezintă efectele vizibile ale unor dezechilibre mai profunde apărute în procesele de fermentare sau distilare. Modificările minore ale activităţii biologice sau ale comportamentului coloanei de distilare se pot amplifica rapid, influenţând consumul de energie şi puritatea etanolului. Identificarea factorilor care stau la baza acestor variaţii reprezintă primul pas către stabilizarea producţiei.  

În timp ce indicatorii prezentaţi anterior descriu ceea ce observă operatorii, cauzele reale se află adesea în profunzimea etapelor biologice şi termice ale procesului. Fermentaţia depinde de menţinerea unor condiţii microbiologice constante, iar distilarea necesită stabilitatea transferului de căldură şi de masă. Atunci când oricare dintre aceste etape se abate de la parametrii optimi, chiar şi variaţiile minore pot conduce la reducerea randamentului de etanol, creşterea consumului de energie şi fluctuaţii ale calităţii produsului final. Înţelegerea acestor factori fundamentali este esenţială pentru optimizarea controlului procesului şi menţinerea unei funcţionări predictibile.

• Variaţiile pH-ului care modifică metabolismul drojdiilor, încetinind conversia zaharurilor şi reducând randamentul de etanol
• Fluctuaţiile de temperatură în fermentatoare care provoacă stres drojdiilor, încetinesc cinetica reacţiilor şi cresc necesarul de abur în etapele ulterioare de distilare
• Alimentarea neoptimizată cu zaharuri sau nutrienţi, care generează variaţii de la un lot la altul în formarea alcoolului şi instabilitate în cinetica fermentaţiei
• Gestionarea ineficientă a CO₂, care modifică activitatea microorganismelor şi poate masca semnele timpurii de contaminare sau problemele legate de viabilitatea drojdiilor
• Lipsa unor măsurători fiabile ale concentraţiilor de zaharuri, nutrienţi şi etanol, care limitează monitorizarea în timp real şi împiedică un control eficient al parametrilor critici ai procesului

• Instabilitatea coloanei de distilare, inclusiv variaţii ale presiunii, temperaturii sau controlului refluxului, care reduc eficienţa separării şi puritatea etanolului
• Scăderea eficienţei separării, ceea ce conduce la creşterea consumului de energie, recirculări interne suplimentare şi variaţii ale concentraţiei finale de etanol

Aceste modele operaţionale indică adesea faptul că parametrii fermentaţiei sau ai distilării încep să se îndepărteze de valorile optime. Deoarece cele două etape sunt strâns interconectate, chiar şi abaterile minore pot afecta eficienţa generală a procesului. Monitorizarea variabilelor-cheie permite detecţia timpurie a problemelor şi menţinerea funcţionării ambelor etape în intervalele optime.

Soluţiile de măsurare fiabile transformă succesiunea sensibilă dintre fermentare şi distilare într-un proces care poate fi monitorizat şi controlat în mod continuu.

Un set restrâns de măsurători esenţiale oferă vizibilitate timpurie asupra activităţii microbiologice, conversiei zaharurilor, consumului de energie şi performanţei proceselor de separare. Acest nivel de informaţie facilitează gestionarea şi optimizarea producţiei de bioetanol.

• Măsurarea pH-ului în procesul de fermentare asigură un metabolism stabil al drojdiilor şi o conversie optimă a zaharurilor în etanol
• Monitorizarea temperaturii de fermentare protejează activitatea drojdiilor şi stabilizează cinetica reacţiilor
• Măsurarea debitului de alimentare cu zaharuri şi nutrienţi menţine disponibilitatea constantă a substratului între loturi
• Monitorizarea gazelor reziduale bogate în CO₂ oferă informaţii în timp real despre activitatea fermentaţiei şi starea de sănătate a culturilor de drojdii

• Monitorizarea temperaturii în coloana de distilare evidenţiază stabilitatea tăvilor şi performanţa separării
• Măsurarea presiunii în coloană contribuie la menţinerea echilibrului vapori-lichid
• Monitorizarea debitului de reflux şi a debitului de abur permite controlul eficienţei separării şi al consumului de energie
• Măsurarea concentraţiei de etanol verifică puritatea produsului şi identifică eventualele pierderi în procesul de separare

• Monitorizarea temperaturii în refierbător şi condensatoare contribuie la menţinerea bilanţului termic al sistemului de distilare; instabilitatea acestora conduce la creşterea consumului de abur şi a recirculărilor interne
• Măsurarea debitelor de abur, apă de răcire şi condens evidenţiază dezechilibrele energetice din sistemul de distilare şi ajută operatorii să controleze consumul total de energie
• Monitorizarea purităţii etanolului prin măsurarea densităţii sau a conductivităţii permite detectarea impurităţilor, a antrenării apei sau a instabilităţilor din procesul de deshidratare, care pot conduce la variaţii ale concentraţiei finale de etanol

Soluţiile de măsurare furnizează baza de date necesară operatorilor pentru gestionarea cu încredere a proceselor de fermentare şi distilare. Atunci când semnalele de proces sunt precise, operatorii pot realiza ajustări proactive care menţin conversia zaharurilor, activitatea microbiologică, stabilitatea coloanei de distilare şi puritatea etanolului în parametrii doriţi. Prin accesul în timp real la variabilele-cheie ale procesului, controlul producţiei de etanol devine predictibil, reducând variabilitatea atât în etapele biologice, cât şi în cele termice ale procesului.

• Concentraţii mai ridicate de etanol, datorită unei cinetici stabile a fermentării unei activităţi microbiologice constante
• Consum redus de energie ca urmare a funcţionării stabile a procesului de distilare şi a unei eficienţe sporite a schimbului de căldură
• Mai puţine loturi care nu corespund specificaţiilor, reducând necesitatea reprelucrării şi asigurând o concentraţie constantă a etanolului pe parcursul campaniilor de producţie
• O mai bună uniformitate între fermentatoare, minimizând variaţiile de la un lot la altul în ceea ce priveşte consumul de zaharuri şi degajarea de CO₂
• Reducerea riscurilor pentru siguranţă asociate fluctuaţiilor de presiune, acumulării de CO₂ şi gestionării vaporilor de etanol
• Disponibilitate operaţională mai mare, cu mai puţine alarme false şi fluctuaţii reduse ale parametrilor esenţiali, precum pH-ul, concentraţiile de nutrienţi şi etanol, temperatura şi densitatea
• O mai bună utilizare a activelor, permiţând o programare, un randament şi o planificare a resurselor mai previzibile

Optimizarea producţiei de bioetanol reprezintă un proces continuu de perfecţionare. Fie că este vorba despre dezvoltarea unei noi instalaţii pentru producţia de etanol celulozic sau despre modernizarea unei unităţi existente pentru reducerea amprentei sale de carbon, o strategie fiabilă de măsurare constituie unul dintre cele mai valoroase active. Aceasta asigură producţia unui etanol de înaltă calitate şi eficient din punct de vedere energetic, reducând în acelaşi timp variabilitatea proceselor şi riscurile operaţionale.

Această secţiune răspunde unor întrebări frecvente legate de stabilitatea fermentaţiei, randamentul producţiei de etanol şi performanţa energetică a instalaţiilor de bioetanol. Accentul este pus pe provocările operaţionale tipice, precum variabilitatea materiilor prime, ineficienţele fermentaţiei şi stabilitatea procesului de distilare.