Revista Científica Altoandina de Ciencias Agrarias 1(1) (2025)
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Balances de masa en la producción de bioetanol de segunda
generación a partir de residuos agroindustriales
Mass Balances in the Production of Second-Generation Bioethanol from
Agroindustrial Waste
Gustavo Adolfo Espinoza Calderón1, Gloria Olivia Bustamante Cárdenas1,
Milthon Morales Miranda1, Mauricio Taipe Quispe1
1Universidad Nacional de Huancavelica, Huancavelica, Perú
Autor de correspondencia:
Gustavo Adolfo Espinoza Calderón
Historial del artículo:
Recibido el 2 de abril de 2025 | Aceptado el 30 de mayo de 2025 | Publicado el 20 de junio de 2025
RESUMEN
La producción de bioetanol de segunda generación (2G), a partir de residuos agroindustriales, se
presenta como una estrategia biotecnológica sostenible para la valorización de biomasa lignocelulósica.
Este trabajo de investigación tuvo como objetivo evaluar exhaustivamente los balances de masa en las
etapas clave del proceso de obtención de bioetanol 2G, utilizando como materias primas la cascarilla de
arroz, rastrojo de maíz (chala) y rastrojo de caña de azúcar, abundantes en la agroindustria. El proceso
estudiado comprendió las etapas de recepción y molienda, la hidrólisis enzimática, la fermentación
alcohólica, la destilación para la concentración del etanol, la deshidratación para alcanzar la pureza
requerida y la desnaturalización para su uso como biocombustible. Se realizaron mediciones precisas de
masa para analizar y cuantificar los rendimientos y las pérdidas en cada etapa del proceso de bioetanol.
Los resultados indicaron un rendimiento global de conversión de biomasa a bioetanol del 5.35 %,
identificando la etapa de destilación como un punto crítico con el mayor impacto en la eficiencia general
del proceso. La molienda mostró una pérdida de masa del 1 %, mientras que la fermentación alcanzó
una eficiencia de conversión de azúcares a bioetanol del 5 %. El análisis de los balances de masa
demostró ser una herramienta fundamental para la evaluación detallada y la identificación de
oportunidades de optimización del proceso, sugiriendo que la mejora de la eficiencia en la etapa de
fermentación y pretratamiento podría tener un impacto significativo en el rendimiento global y la
viabilidad económica del proceso.
Palabras clave: bioetanol de segunda generación; residuos agroindustriales; balances de masa;
fermentación
DOI: https://doi.org/10.54943/recialcia.679
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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ABSTRACT
The production of second-generation (2G), bioethanol from agroindustrial waste, is presented as a
sustainable biotechnological strategy for the valorization of lignocellulosic biomass. This research
comprehensively evaluated the mass balances at key stages of the 2G bioethanol production process,
using rice husks, corn stover (chala), and sugarcane stover, abundant in the agroindustry, as raw
materials. The studied process included reception and grinding, enzymatic hydrolysis to release
fermentable sugars, alcoholic fermentation, distillation to concentrate ethanol, dehydration to achieve
the required purity, and denaturation for use as a biofuel. Precise mass and volume measurements were
made at strategic points throughout the process to quantify flows and determine mass balances at each
stage. The results indicated an overall biomass-to-bioethanol conversion efficiency of 5.35 %, identifying
the distillation stage as a critical point with the greatest impact on overall process efficiency. Milling
showed a 1 % mass loss, while fermentation achieved a sugars-to-bioethanol conversion efficiency of 5
%. Mass balance analysis proved to be a fundamental tool for the detailed evaluation and identification
of process optimization opportunities, suggesting that improving efficiency at the fermentation stage
and pre-treatment could have a significant impact on the overall yield and economic viability of the
process.
Keywords: second generation bioethanol; agroindustrial waste, mass balance, fermentation
INTRODUCCIÓN
El Perú alberga una extraordinaria riqueza
de productos agrícolas y agropecuarios,
sustentando una agroindustria en notable
expansión durante los últimos años. Este
crecimiento, sin embargo, conlleva la
generación de volúmenes significativos de
residuos (Mercado & Collazos, 2022).
En Perú, la producción de bioetanol cuenta
con un respaldo legal que fomenta su
crecimiento. Una normativa específica para la
promoción del mercado de biocombustibles
establece las bases para esta actividad,
promoviendo la libre competencia y el acceso
al mercado con la finalidad de diversificar las
fuentes de energía del país, impulsar el
desarrollo agropecuario y mitigar la
contaminación ambiental. Este contexto legal
favorable subraya la relevancia de optimizar
los procesos de producción de bioetanol,
donde el análisis detallado de los balances de
masa, enfoque central de esta investigación,
desempeña un rol crucial para alcanzar los
objetivos de eficiencia y sostenibilidad
definidos en la legislación (Cabezas-Oruna,
2017).
El bioetanol es un tipo de Etanol producido
a partir de biomasa o la fracción
biodegradable de residuos agroindustriales
(Gracida & Pérez, 2014), cuyo uso principal es
en motores de gasolina convencionales,
mezclando hasta el 15 % con gasolina y los
motores Flex- fuel como E85 E-Diesel
mezclado máximo al 10 % (Castillo, 2012). El
bioetanol de segunda generación, obtenido de
materiales lignocelulósicos, emerge como una
opción prometedora y más sostenible que los
biocombustibles de primera generación. Al no
utilizar recursos que compiten con la
producción de alimentos y debido a la
abundancia de biomasa lignocelulósica, su
menor costo potencial podría reducir el precio
del biocombustible final (Faba et al., 2014).
La producción de bioetanol, a partir de
residuos agroindustriales, implica una serie
de etapas secuenciales que incluyen la
reducción de tamaño mediante molienda, un
pretratamiento con explosión de vapor, la
descomposición enzimática (hidrólisis), la
fermentación alcohólica y la eliminación de
agua (deshidratación). El proceso
fundamental consiste en la obtención de
glucosa a partir del almidón o la celulosa
presentes en los residuos, la cual,
posteriormente, se transforma en etanol
mediante fermentación.
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Si bien la producción de bioetanol 2G a
partir de residuos agroindustriales presenta
un potencial significativo en el Perú, existe
una brecha importante en la aplicación
sistemática y detallada de los principios de
balance de masa para la comprensión, así
como optimización de los procesos.
Por lo tanto, esta investigación propone
utilizar los fundamentos del balance de masa
para examinar y cuantificar el movimiento de
materiales en las diversas fases del proceso
de obtención de bioetanol de segunda
generación a partir de rastrojos de caña de
azúcar (42.91 % de celulosa) (Resano et al.,
2022), cascarilla de arroz (39.05 % de
celulosa) y chala de maíz (43.14 % de
celulosa) (Prado et al. (2012), con el fin de
identificar áreas de mejora, evaluar la
eficiencia de conversión y contribuir a la
optimización, así como a la sostenibilidad de
esta prometedora vía de valorización.
MATERIALES Y MÉTODOS
La producción de bioetanol de segunda
generación se realizó en el laboratorio de
procesos y operaciones unitarias del
departamento de química ubicado en el
Centro Modelo de Tratamiento de Residuos
(Cemtrar) perteneciente a la Universidad
Nacional Agraria La Molina (UNALM).
Materia prima
Los materiales que se usaron fueron
cascarilla de arroz, rastrojo de maíz (chala) y
rastrojo de caña de azúcar, los cuales se
obtuvieron de los fundos ubicados en la
ciudad de Piura. Previo al proceso de
obtención de bioetanol, a la materia prima se
realiza el análisis de humedad, ceniza,
proteína y porcentaje de lignina de acuerdo a
los protocolos estandarizados por la AOAC
International (Association of Official Analytical
Chemists).
Insumos
Para el proceso de la hidrólisis enzimática,
se utilizó los siguientes insumos:
Tabla 1. Reactivos para la obtención de bioetanol
Reactivo
Marca
País
Endoglucanasas
Genencor
EE. UU.
Exoglucanasas
Dyadic
EE. UU.
β-Glucosidasas
Novozymes
Dinamarca
Equipos y materiales de laboratorio
Para llevar a cabo las etapas del proceso
de producción de bioetanol de segunda
generación, se consideran los siguientes
equipos. La reducción de tamaño de los
residuos agroindustriales se realizará
mediante un molino de martillo Bliss
Industries, modelo 4860 HD, con una
potencia típica de 200 kW y procedente de
Estados Unidos. La hidrólisis de la biomasa
pretratada se llevará a cabo en un reactor
encapsulado de Pfaudler Werke GmbH, con
una capacidad de 50 m³ y origen alemán. La
fermentación de los azúcares liberados se
realizará en un reactor Bioengineering AG,
modelo BSF-5000, con una capacidad de
5000 litros y fabricado en Suiza. Para el
pretratamiento mediante explosión de vapor,
se utilizará un equipo ACE Pilot de Sunds
Defibrator AB, con una capacidad de
procesamiento de 50 kg/h de biomasa seca y
proveniente de Suecia. Finalmente, la
separación y purificación del bioetanol se
llevará a cabo en un destilador de platos BX
Column de Sulzer Chemtech, diseñado
específicamente para las necesidades del
proceso y con origen suizo.
Asimismo, para la obtención de bioetanol,
se siguió el procedimiento de la Figura 1, el
cual se detalla:
1. Recepción de la materia prima: la
cascarilla de arroz, el rastrojo de maíz
(chala) y el rastrojo de caña de azúcar
son almacenados en el área de
recepción de la planta.
2. Molienda: consiste en una
combinación de desfibrado y molienda
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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que permita reducir el tamaño de las
partículas de 1 a 3 milímetros y
aumentando la superficie específica y
la densidad aparente. Este
procedimiento se realiza utilizando un
molino de martillos. Operará a una
velocidad de rotación del rotor de
3000 revoluciones por minuto (RPM) y
a una velocidad de carga del material
de 2 a 5 toneladas por hora (t/h).
3. Explosión de vapor: en esta etapa del
proceso la materia prima previamente
molida, es sometida a calor para
solubilizar la hemicelulosa y hacerla
accesible a la hidrólisis enzimática,
evitando la formación de inhibidores.
Se realiza en un reactor hidrotérmico
de acero inoxidable de alta aleación a
una temperatura y presión máxima de
170 °C y 1 MPa respectivamente.
4. Hidrolisis enzimática: la reacción se
llevó a cabo bajo condiciones
controladas de pH 4.8 y una
temperatura entre 45 y 50°C. Para
facilitar la descomposición del
material celulósico y hemicelulósico
pretratado, se utiliza una mezcla de
diversas enzimas, incluyendo
endoglucanasas, exogluconasas y
beta-glucosidasas, las cuales se
dispersan en una solución acuosa
donde se suspende la biomasa. La
operación se realiza en un reactor con
agitación constante a 500 RPM para
asegurar una mezcla homogénea.
5. Fermentación: durante esta fase del
proceso, se lleva a cabo la
fermentación alcohólica, una reacción
de óxido-reducción que ocurre en
ausencia de oxígeno y con la
participación de la levadura
Saccharomyces cerevisiae. Esta
operación se desarrolla en un reactor
con agitación a una velocidad de 30
revoluciones por minuto.
6. Destilación: esta operación se lleva a
cabo en un equipo destilador de 31
platos, donde la mezcla fermentada,
rica en etanol y otros compuestos
volátiles. Se introduce continuamente
por la parte media o inferior de la
columna (flujo de alimentación).
7. Deshidratación: en esta fase del
proceso, se logró una concentración
de alcohol cercana al 99 %. Para
alcanzar este nivel de pureza, se
empleó un sistema de deshidratación
que incluye una columna de
destilación extractiva, una torre para
recuperar el solvente utilizado, así
como condensadores y decantadores
8. Desnaturalización: una vez obtenido
el alcohol se sometió a una
desnaturalización para ser
considerado alcohol carburante y
posteriormente poder ser mezclado
con la gasolina o diesel.
Figura 1. Diagrama de proceso para la obtención de
bioetanol
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El análisis de las corrientes que entran y
salen de procesos de transferencia de masa,
tales como la destilación, la extracción
líquido-líquido, la absorción, la lixiviación y el
secado, constituye la base del balance de
materia en estas operaciones. Asimismo, la
máxima concentración que cada componente
puede alcanzar en cada una de las fases que
interactúan está determinada por el equilibrio
físico entre ellas (Álvarez, 2011).
Los balances de materia sencillos, que se
aplican en procesos sin transformación
química como la mezcla, la separación, el
contacto a contracorriente, el contacto en
paralelo, los sistemas con recirculación y los
sistemas con derivación, se basan
únicamente en la conservación de la masa
(Basurco, 2019).
Metodología de balance de materia
En el presente trabajo de investigación, se
desarrolló la metodología para los cálculos de
balances de masa en el proceso de obtención
de bioetanol como elementos fundamentales
del estudio. Aplicando el balance de materia
en estado estacionario, la fórmula se muestra
a continuación:
Entrada + Entrada de insumos = Salida +
Consumo
• Entrada: la cantidad de masa que
ingresa al sistema dentro de un
período específico
• Salida: la cantidad de masa que
abandona el sistema dentro del mismo
período.
• Consumo: la cantidad de masa que se
consume dentro del sistema debido a
reacciones químicas u otros procesos,
similar a la generación, en balances de
masa físicos, este término suele ser
cero.
Rendimiento de la Operación (%) =
Cantidad real del producto clave que sale de
la operación/Cantidad de la materia prima cl
ave que entra a la operación
RESULTADOS
Balance de materia
A través de la cuantificación de los flujos
de materiales en cada etapa, desde la
biomasa residual hasta el producto final, se
pueden identificar puntos críticos, optimizar el
rendimiento y determinar el impacto
ambiental del proceso. En las Tablas 1 y 2, se
presentan los resultados obtenidos del
balance de materia, donde se detallan las
cantidades de materiales que ingresan y salen
de cada etapa, así como los rendimientos y
las pérdidas asociada.
En las Figuras 2, 3, 4, 5 y 6, se detallan
los balances de masa de cada operación
unitaria en donde se aprecia a detalle el
rendimiento en cada etapa de la extracción de
bioetanol. Se opone un énfasis en la entrada
y salida de material, así como al centro de la
figura el porcentaje de material que se queda
como residuo de cada operación.
Figura 2. Rendimiento de la molienda
Figura 3. Balance de materia de la explosión de vapor
Figura 4. Balance de materia de hidrolisis enzimática
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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Figura 5. Balance de materia de la fermentación
Figura 6. Balance de materia de hidrolisis destilación
Tabla 2. Balance de masa en porcentaje para el proceso de obtención de bioetanol
Operación
Insumos
que
ingresan
%
Ingreso
%
Residuo
%
Salida
%
Rendimiento de
operación (%)
Rendimiento del
proceso (%)
Molienda
0
100
1
99
99.00
99.00
Explosión de
vapor
10
109
4
105
106.06
105.00
Hidrólisis
enzimática
24
130
0
130
124.00
130.20
Fermentación
0.1
130
35
95
73.23
95.35
Destilación
0
18
90
5
5.61
5.35
Tabla 3. Balance de masa en kilogramos para la obtención de bioetanol
Operación
Insumos
que
ingresan
(Kg)
Ingreso
(Kg)
Residuo
consume
(Kg)
Salida
(Kg)
Rendimiento de
operación (%)
Rendimiento del
proceso (%)
Molienda
0
20
0.2
19.8
99.00
99.00
Explosión de
vapor
2
19.8
0.8
21
106.06
105.00
Hidrólisis
enzimática
5.04
21
0
26.04
124.00
130.20
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Fermentación
0.03
26.04
7
19.07
73.23
95.35
Destilación
0
19.07
18
1.07
5.61
5.35
DISCUSIÓN
El análisis del balance de masa en la
producción de bioetanol a partir de residuos
de maíz, arroz y caña de azúcar reveló
variaciones significativas en la eficiencia de
conversión y los rendimientos obtenidos. En
el caso del producto final obtenido, se observó
un rendimiento promedio de bioetanol de
5.35 %. Sin embargo, a diferencia de Wang
et al. (2024), quienes reportaron 12 % de
rendimiento en la obtención de bioetanol de
maíz, nuestros hallazgos revelan que el maíz,
como materia prima única, produjo
considerablemente más bioetanol que la
combinación de arroz, maíz y azúcar que
empleamos.
El análisis de balance de masa reveló
pérdidas significativas de masa en etapas
específicas del proceso. Por ejemplo, la
pérdida del 1 % en la molienda, aunque
aparentemente menor, subraya la
importancia de considerar todas las
corrientes, incluso las que podrían parecer
insignificantes. En consonancia con los
hallazgos de Bellido (2013), también,
reportaron pérdidas de masa en la etapa de
pretratamiento de bioetanol de maíz.
Siguiendo las recomendaciones de Alonso et
al. (2011), la identificación de las pérdidas en
el balance es significativa, ya que señala
oportunidades para la optimización de
procesos y la reducción de la generación de
residuos, tal como lo enfatizan.
Es importante destacar que el balance de
masa también se vio influenciado por la
cantidad de subproductos generados durante
el proceso, como el bagazo. La gestión
adecuada de estos subproductos ya sea para
su aprovechamiento en otros procesos o para
su tratamiento y disposición final, es crucial
para mejorar la sostenibilidad y la viabilidad
económica de la producción de bioetanol.
La metodología de balance de masa
implementada en este trabajo permitió una
cuantificación detallada de los flujos de
materia a través de las distintas etapas del
proceso de producción de bioetanol 2G a
partir de cascarilla de arroz, rastrojo de maíz
y rastrojo de caña de azúcar. A diferencia de
Faba et al. (2014), nuestro enfoque se centró
en la medición precisa de la masa en cada
corriente de entrada y salida, lo que posibilitó
la identificación de pérdidas no evidentes en
análisis basados únicamente en la medición
de productos finales.
Casco et al. (2022), por su parte,
mencionan que la combinación de métodos de
pretratamientos maximiza el rendimiento de
etanol a partir del bagazo de caña de azúcar.
CONCLUSIONES
El análisis exhaustivo de los balances de
masa aplicado al proceso de producción de
bioetanol de segunda generación a partir de
residuos agroindustriales peruanos ha
proporcionado información valiosa para la
comprensión y optimización de esta vía de
valorización. Se ha demostrado la viabilidad
técnica de convertir estos subproductos en un
biocombustible de alto valor añadido, aunque
la eficiencia global del proceso está
intrínsecamente ligada al rendimiento de cada
etapa individual.
Los rendimientos obtenidos en cada
proceso fueron altos como es el caso en la
molienda de los residuos agroindustriales
(caña de azúcar, cascarilla de arroz y chala de
maíz) obtuvo un 99 % (de un peso de 20 kg
de materia prima total), en la explosión de
vapor un 105 % (esto debido a la adición de
G. A. Espinoza Calderón, G. O. Bustamante Cárdenas, M. Morales Miranda, & M. Taipe Quispe
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insumos adicionales para su operación
correcta), en la hidrolisis enzimática un 130
% (del mismo modo con un adicional de
insumos de 5.04 kg), la fermentación obtuvo
un 95.35 % (adicionalmente se agregó 0.03
kg de insumos) y, finalmente, un 5.35 % en
la destilación. En trabajos futuros, se podrían
utilizar residuos agroindustriales producidos
en la cierra específicamente en la región
Huancavelica.
CONFLICTO DE INTERESES
Los autores declararon que no existe
conflicto de intereses con respecto al trabajo
realizado, autoría y/o publicación de este
artículo científico.
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