Producción de etanol combustible a partir de lignocelulosas

Jaime O. Díaz Ch.1,2, Francisco Herrera2

1Departamento de Electrónica, Instrumentación y Control, Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones. Universidad del Cauca. Popayán, Colombia.

jadiaz@unicauca.edu.cu. 2Departamento de Automática y Sistemas Computacionales, Facultad de Ingeniería Eléctrica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Santa Clara, Cuba.

Resumen Los altos costos de producción del etanol elaborado de materias primas tales como la caña de azúcar y el maíz, obliga a buscar en los residuos agrícolas otras fuentes mucho más baratas. El uso de las lignocelulosas es un reto tecnológico que demanda la aplicación de nuevos conceptos y métodos en los pasos de hidrólisis y fermentación durante el proceso de producción del etanol. En particular, la complejidad de los fenómenos involucrados en los bioprocesos requiere el desarrollo de nuevos paradigmas en los sistemas de control de procesos. Algunos países del tercer mundo con extensas áreas de tierra cultivadas podrían ventajosamente reducir sus importaciones de petróleo en el futuro, si inician desde ahora un programa concertado, investigación, industria y gobierno, para la producción a gran escala de etanol a partir de residuos agrícolas, pero tal decisión precisa de un análisis detallado de las consecuencias económicas y ambientales. Palabras clave: etanol, lignocelulosa, hidrólisis, fermentación, control.

1. Introducción Las pasadas crisis del petróleo, la incertidumbre en el suministro del crudo, así como la carga económica que representa su importación en la balanza de pagos, fueron factores clave que condujeron por los años 70 al inicio de los programas gubernamentales en la búsqueda de combustibles alternativos viables. Por aquellos años, el Gobierno del Brasil inicia el Programa Nacional del Alcohol, “Proalcool”, con el propósito de promover el etanol como combustible para el transporte, en reemplazo del uso de la gasolina. Como consecuencia, fue establecida rápidamente una industria nacional. Pronto Estados Unidos, y más tarde otros países, emprenden también políticas en el mismo sentido. Se calcula que en el año 2000 se produjeron en el mundo un poco menos de 30 mil millones de litros de etanol combustible, empleando principalmente caña de azúcar y maíz como materia prima. Comparada con el consumo de gasolina en el mismo periodo, esta cifra es muy inferior, pese a las pretensiones de los países del primer mundo por un empleo menor de los combustibles fósiles. Un obstáculo para un uso mas extendido del etanol es su precio. Las materias primas convencionales elevan considerablemente el costo de la producción y su competitividad frente a la gasolina ha sido penosamente mantenida únicamente gracias a los subsidios y políticas gubernamentales.

La producción de etanol a partir de residuos agrícolas y forestales, para propósitos energéticos, es un reto tecnológico sobre el cual se trabaja intensamente hoy. Los costos del etanol podrían ser reducidos significativamente si tales esfuerzos producen los resultados esperados. Nuevos conceptos y métodos deben ser desarrollados para afrontar problemas propios de las lignocelulosas tales como la accesibilidad de los azucares para la fermentación, y la maximización de la conversión de azúcar a etanol. En este sentido, es esencial: i) la investigación de procesos de hidrólisis capaces de proporcionar mayor cantidad de azúcar y menos subproductos tóxicos para la fermentación; ii) el estudio de los principios biológicos fundamentales y la construcción de microorganismos recombinantes idóneos; iii) y la aplicación de nuevos paradigmas en el control de procesos. El presente trabajo refleja el estado del arte y algunas de las actuales dificultades de la producción de etanol combustible utilizando las lignocelulosas como materia prima. Como es común a los procesos de innovación tecnológica, el desarrollo de una industria del etanol competitiva será el resultado del esfuerzo concertado de un grupo de investigación interdisciplinario. En tal sentido, este documento necesariamente debe tocar muchos asuntos de distintas disciplinas.

¿Qué es el etanol?

Características del etanol Antes de entrar en los detalles acerca de su fabricación, conviene conocer mejor que es el etanol. Muy conocido por sus posibilidades dionisiacas, el también llamado alcohol etílico, tiene múltiples usos. Según el uso, el etanol se puede clasificar como:

• Potable: en la preparación de bebidas; • Industrial: como desinfectante, solvente, anticongelante (en los radiadores de

automóviles), o en la preparación de otros compuestos orgánicos; y • Combustible: principalmente para el transporte.

El etanol es un excelente combustible para motores:

• tiene un índice de octanos1 para motores el cual excede al de la gasolina; • tiene una presión de vapor menor2 que el de la gasolina lo que resulta en una

emisión por evaporación menor; • es menos inflamable que la gasolina lo cual reduce el numero y la severidad de

los incendios de los vehículos; • Tiene un contenido energético menor que la gasolina (2/3), pero rendimiento

similar.

TABLA 1: propiedades del etanol y la gasolina Propiedad Gasolina Etanol

Peso molecular 100-105 46.7 Composición, % peso

Carbono Hidrogeno Oxigeno

85-88 12-15

0

52.2 13.1 34.7

Presión de vapor Reid, psi 8-15 2.3 Índice de octano

(R+M)/2 100/90 86-94

108/92 100

Solubilidad en el agua, 70ºF, %Vol - 100 Punto de congelación, ºF -40 -173.2 Flash point*, ºF -45 55 Temperatura de auto ignición, ºF 495 793

*flash point: la menor temperatura a la cual el combustible libera vapores inflamables 1 El octanaje tiene un rango comprendido entre 0 para n-heptano y 100 para isooctano. Cuanto más alto sea el

octanaje de la gasolina, mejor es su comportamiento antidetonante. Las gasolinas tienen dos calificaciones de octanaje: el número de octano research (NOR), que mide el desempeño antidetonante a bajas temperaturas del motor, y el número de octano motor (NOM), que mide el desempeño antidetonante a altas velocidades del motor. Para cualquier gasolina, el valor NOR es más alto que el NOM, generalmente por una diferencia de 8 a 12 puntos (World Bank 1996a).

2 La presion de vapor de un liquido se incrementa con la temperatura del liquido. Si a la temperatura ambiente la presion de vapor del liquido es menor que la presion atmosferica, entonces el liquido no se evapora.

El etanol como un aditivo de la gasolina No obstante sus propiedades, en el mercado de combustibles actual, el etanol, como algunos de los otros oxigenantes y combustibles alternativos, es empleado sobre todo como un aditivo de la gasolina convencional. Aunque niveles bajos de etanol (del 3 al 22% de etanol) no requieren modificación alguna del motor de gasolina, altos niveles en la mezcla, (del 85% y 95% de etanol), exigen la construcción de motores específicamente diseñados para tales combustibles (Taherzadeh, 1999; Bailey, 1996). Una razón vital del interés en el etanol es la emisión de contaminantes a la atmósfera y la preocupación por el efecto invernadero. La combustión incompleta de la gasolina produce monóxido de carbono (CO), CO2, hidrocarburos y partículas. Adicionar etanol a la gasolina, el cual contiene aproximadamente el 35% de oxigeno, contribuye a una combustión más eficiente reduciendo la producción de monóxido de carbono, un componente importante del aire contaminado en las áreas urbanas. Por otro lado, la utilización de los productos de la agricultura y la silvicultura para la producción de etanol reduce el aporte de CO2 adicional a la atmósfera, característico en la combustión de los combustibles fósiles. Las plantas, los árboles y otros organismos absorben el CO2 atmosférico para usarlo como fuente de carbono. El uso del etanol ayuda entonces a preservar el equilibrio natural del ciclo del carbono. En contraposición, una desventaja de la mezcla gasolina-etanol es que puede aumentar las emisiones por evaporación. En realidad, cuando se añade etanol a gasolinas convenientemente formuladas la mezcla puede mantener el valor de la presión de vapor por debajo de límites tolerables, pero la remoción de hidrocarburos de baja ebullición es costosa. Una solución alterna al problema de las emisiones es usar concentraciones altas de etanol en la mezcla (NRC, 1999a). Otro de los inconvenientes del uso de las mezclas etanol-gasolina es su alta receptividad al agua. Aun cantidades moderadas de agua pueden hacer que la mezcla gasolina-etanol se separe en las dos fases, lo cual puede reducir el desempeño del motor. Pero la mayor dificultad radica en su transporte. La afinidad al agua del etanol imposibilita su conducción por tubería (el medio mas barato), lo que exige un sistema de transporte propio (NRC, 1999a).

Breve historia del etanol combustible La idea de utilizar el etanol como combustible líquido no es nueva. En los primeros motores de combustión interna, década de 1870, se empleaba indistintamente alcohol o gasolina, y por los años 1920 y 1930 se discutió considerablemente su uso como combustible para motores (se afirma que Ford usaba etanol como combustible en los primeros años del automóvil). Posteriormente, la atención sobre el etanol decayó. En la segunda mitad de la década de los 70, como una respuesta a la primera crisis del petróleo, dos gobiernos inician el apoyo de programas para estudiar y desarrollar combustibles alternativos de una manera económica a partir de materias primas provenientes de la agricultura.

En 1975, el gobierno del Brasil lanza el Programa Nacional del Alcohol, Proalcool, con el objetivo de promover la producción de etanol a partir de la caña de azúcar, para remplazar la gasolina. En ese mismo año, las importaciones de petróleo al país habían alcanzado el 79.5% de la demanda total y el 21.1% del total de las importaciones, representando una gran carga económica en la balanza de pagos nacional (BNC, 2001; EIA, 1999). Como consecuencia, fue establecida rápidamente una industria nacional. Bajo otras circunstancias, en 1978 en Estados Unidos fue aprobada la Ley Nacional de Energía, la cual incluía una ley de exención de impuestos para gasolinas conteniendo un 10% de alcohol. Aunque las fluctuaciones del precio del petróleo fueron un factor decisivo, el etanol fue promovido como una solución a una variedad de problemas, entre ellos:

• la dependencia del petróleo extranjero y la incertidumbre en su suministro (medio oriente);

• bajas ganancias o excedentes en los cultivos por situaciones del mercado mundial; y

• el bajo octanaje causado por la reducción del plomo en la gasolina (Berg, 1999). Como consecuencia de este renovado interés, la producción mundial de etanol se elevó de algo más de 10 mil millones de litros en 1980, a cerca de 20 mil millones de litros en 1985. Este tremendo crecimiento en la producción, concentrado principalmente en Brasil y Estados Unidos, fue debido a la fuerte intervención de los gobiernos, con políticas y acciones tales como la creación de incentivos económicos para las empresas agro-industriales productoras de etanol y el establecimiento de subsidios para permitir precios de venta competitivos del etanol puro y de la gasolina mezclada con etanol. Después de 1986 los precios internacionales del petróleo se mantuvieron bajos, y la cuestión del suministro dejó de ser un asunto prioritario. En lugar de ello, los problemas ambientales empezaron a ser la mayor preocupación. El crecimiento sostenido de la producción de etanol de los años anteriores se extendió hasta el año 1997, y a partir de entonces presenta una ligera declinación anual. La producción mundial de etanol, incluyendo todas las categorías, combustible, industrial y potable, alcanzo un estimado de 29.9 mil millones de litros en 2000 (Berg, 2001). El mayor productor del mundo es Brasil, donde la producción en 2000 alcanzo unos 11.4 mil millones de litros, es decir, cerca del 38 % de la producción mundial. Hoy por hoy, el etanol combustible contribuye con cerca las dos terceras partes de la producción total mundial. Comparadas con el consumo de gasolina las cifras de consumo del etanol son muy inferiores. El mayor obstáculo para un uso mas extendido del etanol es su precio.

Tecnologías convencionales de producción de etanol La producción de etanol por la fermentación de materias primas de origen vegetal ricas en azucares o almidones, (granos, tallos, raíces, etc.), es una de las técnicas mas

antiguas utilizadas por el hombre. Se cree que los chinos fueron los primeros en destilar el alcohol directamente a partir del licor fermentado de arroz, cerca del año 800 A.C. Mientras que los pasos básicos permanecen los mismos, el proceso ha sido refinado considerablemente en los años recientes, conduciendo a un proceso muy eficiente. Conversión de la sacarosa de la caña a etanol La sacarosa, principal componente de la caña de azúcar, se descompone por hidrólisis en glucosa y fructosa. Estos azucares pueden ser convertidos directamente a etanol por enzimas producidas por variedades especificas de levaduras (saccharomyces cerevisie), y bacterias. Convencionalmente, los pasos comprendidos en la producción de azúcar y alcohol a partir de la caña de azúcar difieren solamente en las etapas que siguen a continuación de la extracción del jugo de la caña, el cual puede ser, en un caso fermentado para producir etanol, o, en otro, tratado para producir azúcar (BNC, 2001).

Figura 1: proceso de producción de azúcar y alcohol

Conversión del almidón a alcohol El almidón, abundante en las semillas de los cereales y tubérculos tales como el maíz y la papa, es un hidrato de carbono complejo formado por la amilopectina y, en menor cantidad, por la amilosa. La hidrólisis del almidón, o sacarificación, catalizada por ácidos y algunas enzimas, produce maltosa y glucosa, fácilmente fermentables a etanol por algunos microorganismos. Dos tecnologías conocidas para la producción de etanol a partir del maíz son las denominadas molienda húmeda y molienda seca (RFA, 2001). La principal diferencia entre las dos técnicas esta en el tratamiento inicial del grano. Esta diferencia conduce a la producción de diferentes co-productos. El proceso de fermentación generalmente toma cerca de 40 a 50 horas. Durante esta parte del proceso, la masa es agitada y mantenida fría para facilitar la actividad de la levadura. Después de la fermentación, el vino resultante es transferido a las columnas de destilación donde el etanol es separado de la “vinaza” remanente. El etanol es concentrado a 190 proof usando destilación convencional y entonces deshidratado a aproximadamente 200 proof en un sistema de filtrado molecular. El CO2 liberado durante la fermentación es capturado y vendido para usar en bebidas y refrescos carbonatados y la manufactura de hielo seco.

Figura 2: Proceso de producción de etanol del maíz (molienda seca)

La cuestión de los costos de producción En general, el éxito de cualquier plan de siembra de cultivos para la producción de etanol dependerá de la selección de los cultivos apropiados, los métodos de producción, y la localización. Un sistema que sea establecido en torno al material de menor costo y que esté integrado totalmente para obtener el mayor rendimiento económico posible utilizando todos los sub-productos en el sistema presentara la mejor oportunidad de un éxito económico. Ya que los azucares solubles provenientes de las materias primas convencionales son comestibles, su valor relativo tiende a ser alto elevando considerablemente el costo de la producción del etanol y su competitividad frente a la gasolina ha sido penosamente mantenida únicamente gracias a los subsidios y políticas gubernamentales. A pesar de la fuerte reducción de los costos en los últimos años, los costos de producción del etanol son altamente sensibles al costo de la materia prima colocada en el sitio de procesamiento, así como del volumen y composición del material. Por ejemplo, entre 1978-2001 el costo total de fabricación de etanol a partir del maíz (molienda seca) se redujo en un 60%. Esta reducción en los costos se puede atribuir a: • Mejoramiento de los químicos del proceso

o Control de la espuma, o prevención de depósitos de oxalato de calcio (beerstone) o ajuste del pH

• Mejoramiento en los equipos: o Reducción de la energía necesaria para el proceso o Filtrado molecular para la deshidratación del etanol o Mejoramientos en los intercambiadores de calor, decantadores, y equipos de

destilación y secado • Mejoramiento en el control de procesos

o Automatización

o Nuevas técnicas de control o Integración con herramientas analíticas (HPLC)

• Desarrollo de nuevas enzimas

TABLA 2: Costo total de fabricación de etanol de maíz (molienda seca) Año US$/galón de etanol 1978 2.28 1994 1.43 2001 0.88 Fuente: Oct 2000 NREL/TP-580-28893

TABLA 3: Desglose de los costos de etanol de maíz (molienda seca)

Ítem US$/galón de etanol Maíz descascarado 0.68 Otros materiales, enzimas, levadura, etc.

0.06

Fabrica 0.16 Mano de obra, suministros, etc. 0.13 Depreciación de capital 0.11 Co-productos (DDG) (0.29) Costo total de producción 0.88

Fuente: Oct 2000 NREL/TP-580-28893 Una muestra de la reducción en los costos y la incidencia de la materia prima en los costos totales, en dolares se puede observar en las tablas 2 y 3.

Producción de etanol a partir lignocelulosas La biomasa lignocelulósica corresponde a las hojas y el tallo de las plantas. Esta parte de las plantas no es comestible y tiene usualmente un valor mucho menor. Esto es muy significativo: por ejemplo, donde un acre de caña de azúcar produce cerca de 10 toneladas de azúcar comestible y tres toneladas de melaza, también produce (en la forma de hojas y tallos) de 20 a 25 toneladas adicionales de materiales no comestibles. La biomasa lignocelulósica también se refiere a cultivos de pastos y de árboles para propósitos energéticos, residuos de madera, pulpa de papel, e incluso algunos residuos municipales.

Breve descripción de la biomasa Los materiales lignocelulosicos son muy heterogéneos y, en general, pueden ser descritos como una red de fibras de celulosa embebidas en una envoltura de hemicelulosa y lignina. Presentes en proporciones relativas variables de acuerdo al tipo de material, (celulosa del 35% al 50%, hemicelulosa del 20% al 40%, y lignina, del 15% al 30%), su estructura y composición son importantes porque determinan los tipos de procesos particulares a llevar a cabo en las diferentes etapas de producción. La figura 2 muestra una vista generalizada de la composición de la pared celular de las plantas.

Hemicellulose

Cellulose Bundles

Lignin

Cellulose

PLANT CELL WALL

plant.2 Figura 3: composición de la pared celular de las plantas (Shleser,94).

La celulosa es un homopolímero lineal de la glucosa cuyas cadenas poliméricas están organizadas en regiones cristalinas altamente ordenadas, acompañadas de zonas más o menos amorfas, formando fibras muy estables insolubles en agua (Jeoh, 1998; Malcolm Brown, 1999). La celulosa de diferentes fuentes, aunque la misma a nivel molecular, difiere en su estructura y en los enlaces con otros bioquímicos presentes en la lignina y la hemicelulosa. Por su parte, la hemicelulosa es el nombre colectivo de un grupo de polisacáridos heterogéneos ramificados, amorfos, relativamente fáciles de hidrolizar, y constituidos principalmente de proporciones variables de pentosas (mayormente xilosa, y otras pentosas como la arabinosa), de hexosas (glucosa, galactosa, y manosa) y ácidos urónicos (Jeoh, Mazlan, 1999). La lignina es un polímero fenólico complejo que proporciona soporte y protección a las células de las plantas. Como parte de la estructura microfibrilar, la lignina actúa como un “pegamento” llenando los espacios alrededor de la celulosa y la hemicelulosa. La celulosa, la hemicelulosa y la lignina están confinadas en las paredes de las células estableciendo interacciones entre sí. Estas interacciones, la propia naturaleza cristalina de la celulosa, y las características microscópicas estructurales del material lignocelulósico, dificultan la accesibilidad de las enzimas a los polisacáridos (Mooney et al, 1999). El contenido de lignina es de interés ya que no es convertible a etanol, su presencia limita considerablemente el acceso a los azucares fermentables, y es muy resistente a la degradación química y enzimática. En general, el proceso de obtener monosacáridos de la biomasa se divide en dos fases, donde la primera etapa, denominada pretratamiento, rompe la pared celular de la biomasa e hidroliza la hemicelulosa, y la segunda etapa, denominada hidrólisis, depolimeriza los polisacáridos presentes en la celulosa. Los azucares simples liberados son utilizables por los microorganismos para la fermentación a etanol.

Algunas alternativas en el proceso de producción El proceso de producción de etanol involucra las siguientes operaciones básicas: 1. Pretratamiento: preparación de la materia prima; 2. Producción enzimática; 3. Hidrólisis: obtención de los azucares fermentables; 4. Fermentación: conversión de los azucares a etanol; y 5. Destilación. El principal objetivo del pretratamiento es incrementar el rendimiento y la velocidad de la hidrólisis. El paso de pretratamiento busca, i) maximizar la accesibilidad a los azucares, ii) minimizar la degradación de los carbohidratos, iii) minimizar la formación de subproductos que inhiban el desempeño microbiano

durante la fermentación, y iv) ser económicamente eficiente (Jeoh, 1998). Uno de los principales problemas en el pretratamiento de los materiales de origen vegetal son las grandes diferencias en su estructura y composición, que dependen no solamente de la especie de la planta sino también de la edad, el cultivo, etc. (Claassen et al., 1999). Los métodos de pretratamiento por lo general involucran una combinación de procedimientos térmicos, químicos, mecánicos, e incluso biológicos. En general, todos los procedimientos para el pretratamiento de la biomasa aprovechan la relativa facilidad de la hidrólisis de la hemicelulosa y, en mayor o menor grado, separan la lignina. La selección de una técnica de pretratamiento en particular depende tanto del tipo de biomasa como de los métodos de hidrólisis y de fermentación subsecuentes. Existen muchas opciones disponibles para cada uno de los pasos involucrados en el proceso de conversión de biomasa a etanol (Ver figura 4). Varios laboratorios gubernamentales, instituciones académicas, y compañías del sector privado han ideado varias técnicas para realizar cada uno de los pasos requeridos en la conversión de biomasa a etanol. En muchos casos, las organizaciones seleccionan una combinación particular de pasos y consideran la secuencia como “su” sistema. En un estudio preparado en 1994 por el Dr. Robert Shleser sobre la factibilidad económica de la producción de etanol combustible en Hawai se describen algunos sistemas representativos del estado actual de la tecnología. A pesar de la fecha de presentación del reporte estos sistemas siguen vigentes. Son descritos a continuación.

solvolysis dilute acidhydrolysis

ammoniaexplosion

enzymetreatment

steamexplosion

concentratedacid

hydrolysis

DISRUPTION TECHNOLOGY

municipalsolid

wasteenergycane

foragecrops

wastepaper

organicbiomass bagasse

SOURCES OF SUGARS

algaemethaneETBE animalfeeds pharmaceuticals plastics

BY-PRODUCTS & CO-PRODUCTS

HYDROLYSIS PRODUCTS

lignin furfuralshemicellulosecellulosesugars

SUGARS PRODUCED BY CONTINUED TREATMENT

glucose xylose furfuralsminor sugarsfructose

MICROORGANISMS USED FOR FERMENTATION

yeastszymomonads clostridiatransgenicbacteria

FERMENTATION TECHNOLOGYImmobilized

cellbioreactors

batchfermentation

membranesystems

integratedsystems

WATER REMOVALdistillation membranes pervaporation solvents

PROCESS ENERGY SOURCES

biogaswasteheat diesel electric process

by-products

PRIMARY PRODUCTS

ETHANOL CARBONDIOXIDE

microbialbiomass

fermentationliquid

Figura 4: Algunas opciones en la conversión de biomasa a etanol (Shleser,94).

1. Sacarificación y fermentación simultanea En los sistemas de producción de etanol convencionales los carbohidratos poliméricos son previamente hidrolizados y posteriormente conducidos al fermentador. En la sacarificación y fermentación simultánea (SSF) los pasos de hidrólisis y fermentación se combinan en una sola unidad de proceso.

Llevando a cabo una pre-hidrólisis en ácido sulfúrico diluido al 1.1% a 160 ºC, por 10 minutos, la fracción de hemicelulosa es hidrolizada casi es su totalidad dando como resultando en una pulpa de celulosa fácilmente accesible al ataque de las enzimas. En el proceso SSF las enzimas que rompen la estructura de la celulosa son producidas separadamente por el hongo Trichoderma reesei. La levadura y las enzimas son añadidas entonces al material remanente donde las enzimas digieren la celulosa para producir glucosa. Tan pronto son sacarificados los polisacáridos, los azucares resultantes son utilizados por la levadura para la producción de etanol (Gunasekaran y Chantra, 1999; NRC, 1999a). Al convertir los azucares a etanol en el momento de su formación, el sistema SSF reduce el efecto inhibitorio del crecimiento del azúcar sobre el desempeño de la enzima. El desempeño de la SSF parece estar limitado mas por el desempeño de la levadura (es decir, su tolerancia combinada de temperatura y etanol) que por el desempeño de la enzima. Esta tecnología se asocia en gran medida con el programa de investigación y desarrollo del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) en Golden, Colorado. Los elementos esenciales de la aproximación SSF son presentados en la figura 5.

Pretreatment(dilute acid)

Cellulose-Lignin

Hydrolysatewater, xylose,

acid

Neutralization

Lime

Gypsum

Water-xyloseXylose

fermentation

Water(if necessary)

Enzyme

SSF EthanolWater

Yeast

Water(if necessary)

BIOMASS

EthanolWater

Figure 5: Sacarificación simultanea y fermentación (Shleser, 94)

2. Hidrólisis ácida concentrada, neutralización y fermentación En la hidrólisis ácida concentrada, se usa un pretratamiento de hidrólisis ácida diluida para separar la hemicelulosa y la celulosa. Luego, la biomasa se seca antes de la adición del ácido sulfúrico concentrado; se añade agua para diluir el ácido y a continuación se calienta para descargar los azucares, produciendo un gel que puede ser separado de los residuos sólidos (DiPardo, 2000). Un resumen del proceso propuesto por la Tennessee Valley Autohrity (TVA) es como sigue: Primero, la biomasa es recogida, secada y molida para pasarla a través de un cedazo. Entonces el material es transferido a la primera etapa de hidrólisis. Se añade ácido sulfúrico (7.65% por peso) al tanque el cual es calentado a 100ºC por dos horas. Cerca del 75% de la hemicelulosa es hidrolizada a xilosa. Los sólidos restantes (lignina y celulosa) son removidos en una prensa a tornillo y transferidos a un vaso separado

donde se le añade ácido adicional y mucha de la xilosa acidificada para incrementar la concentración de azúcar. El ácido concentrado rompe los enlaces de hidrógeno en las cadenas de la celulosa y la convierte a un estado completamente amorfo. Una vez la celulosa ha sido decristalizada, forma con el ácido una gelatina homogénea. La celulosa a estas alturas es sumamente susceptible a la hidrólisis. La temperatura se eleva nuevamente lo cual resulta en la hidrólisis de la celulosa restante a glucosa. El resultado es una mezcla de azucares de 5 carbonos (pentosas) y 6 carbonos (hexosas) en solución ácida. Se añade cal para neutralizar el ácido, produciendo yeso, el cual es separado en un filtro rotatorio. La solución fluida restante contiene glucosa (11.6%) y xilosa (9.0%). La fermentación también se realiza en etapas. Primero, la glucosa es fermentada a etanol por medio de la levadura Sacaromyces cerevisiae. La mezcla es entonces destilada para remover el etanol dejando atrás la xilosa sin convertir. Se añade una segunda levadura a la solución restante, Pachysolen tannophilus, la cual fermenta la xilosa a etanol. El etanol producido de la xilosa es entonces destilado. La lignina y el material celular restante se secan y se quema en una caldera para proveer energía al proceso o para producir electricidad. El proceso se muestra en la figura 6.

Acid

Ethanol

Fermenter

1st stagehydrolyzer

BIOMASS

Grinder Filtration

2nd stagehydrolyzer

Acid

Lime

FiltrationGypsum

Fermenter

S. cerevisiaeP. tannophilus

DISTILLATION

LigninYeast

DISTILLATION

YeastWater

GlucoseXylose

XyloseSolution

Cellulose& lignin

EthanolXylose & Yeast

EthanolYeast

XyloseWater

Figura 6: Hidrólisis ácida concentrada, neutralización y fermentación (Shleser, 94)

3. Ruptura con amoniaco, hidrólisis y fermentación El desarrollo de esta tecnología y su aplicación para convertir el material lignocelulósico a alimento para animales fue descrito en la literatura técnica por allá en los 80’s. El amoniaco es usado para pre-tratar la biomasa lignocelulósica. La biomasa es picada y molida en pequeñas partículas. El amoniaco es entonces infundido a alta presión y sometido a temperaturas en el rango de 25-90ºC por cerca de 30 minutos (figura 7).

FERMENTATIONDISTILLATION

SOLIDS RECOVERY

Screening

SUGARS

Ammoniadistillation

EnzymaticHydrolysis

GrindingBIOMASS

AmmoniaAFEXTANK

AmmoniaStorage

PretreatedBiomass

tohydrolysis

EthanolSolids for

process heat& electricity

EnzymeProduction

SurgeTank

Figura 7: Explosión con amoniaco, hidrólisis y fermentación (Shleser, 94)

Cuando la presión es liberada subitamente el amoniaco virtualmente explota o se gasifica. Esta es entonces capturada en un tanque de drenaje y reciclada. El amoniaco infundido a alta presión y temperatura hincha y decristaliza la complejo celulosa/hemicelulosa tal que la biomasa se hace muy accesible a la enzima celulasa. La hidrólisis de la celulosa y la hemicelulosa a azucares se realiza añadiendo enzimas a la masa tratada con amoniaco que son producidas en el sitio separadamente. Este proceso no degrada la proteína la cual puede ser recobrada como un ingrediente para alimento animal. La fermentación se realiza secuencialmente tal como en el proceso de hidrólisis ácida concentrada explicado antes. El proceso AFEX parece ser atractivo desde el punto de vista técnico, ambiental y económico, pero esta muy temprano en su etapa de desarrollo (NRC, 1999a).

4. Ruptura por vapor, hidrólisis y fermentación El pretratamiento por explosión con vapor es uno de los métodos de pretratamiento efectivos para una variedad de materiales lignocelulosicos en la producción de alcohol

(el bagazo de la caña de azúcar, la caña del maíz, paja de trigo, algodón, palma de aceite, herbáceas y árboles como el sauce, el abeto, y el roble rojo). Este proceso se realiza dentro de una cámara a alta presión (típicamente de 200 a 450 psig), con temperaturas cercanas a los 200 ºC y tiempos de residencia de alrededor de unos 10 minutos. Súbitamente, la presión en la cámara se lleva a la presión atmosférica, causando una explosión de la biomasa que provoca el rompimiento químico-mecánico de las microestructuras. La formación de ácido acético, y de otros ácidos orgánicos, durante el proceso da como resultado una especie de autohidrolisis ácida que produce la depolimerizacion de la hemicelulosa y la lignina a compuestos solubles en agua. La biomasa restante se convierte en un lodo viscoso de celulosa y polisacáridos, las cuales están disponibles para la digestión enzimática a los azucares componentes (principalmente glucosa). Reacciones secundarias de la deshidratación de las pentosas provenientes de la hemicelulosa dan origen a la formación de furfural –y otros compuestos inhibitorios de la fermentación- con la consecuente perdida de carbohidratos. Un esquema de ruptura por vapor desarrollado por Stake Technology Limited, of Norval, de Ontario, Canadá, se muestra en la figura 8. En el proceso, la biomasa es picada a un tamaño apropiado y alimentado a un cilindro de alta presión. Los sólidos son movidos continuamente y empujados con un tornillo sin fin a través de un orificio hacia el reactor a vapor donde el material es explotado. Cuando la biomasa sale del tanque de recuperación, puede ser fermentada y destilada para producir etanol. Debe notarse que también se forman orgánicos volátiles tales como el furfural, un inhibidor de la fermentación microbiana.

Ethanol

Grinder

FLASHAND

SOLIDSRECOVERY

steam tocondencer

CONDENCERTANK

BOILER Steam

BI

OMASS

STAKETECHFEEDER

DIGESTER

FERMENTATIONDISTILLATION

SOLIDS RECOVERYSolids for processheat & electricity

SUGARS

Figura 8: Explosión con vapor, hidrólisis y fermentación (Shleser, 94)

5. ruptura ácida y fermentación por microorganismo transgenico (proceso Quadrex) En esta alternativa de conversión de biomasa a etanol el interés se centra en la etapa de fermentación. Aquí, el microorganismo utilizado en la fermentación es un organismo recombinante, es decir, un organismo al cual se le ha insertado los genes apropiados para inducir en él la habilidad de fermentar pentosas y hexosas.

En el método patentado en 1991 por el Dr. Lonnie Ingram y sus colaboradores de la universidad de Florida, se inserta al organismo huésped, E. Coli, Erwinia o Klebsiella, un operon, el cual consiste de los genes alcohol deshidrogenasa II, y piruvato decarboxilasa de la Zymomonas mobilis. Este sistema esta diseñado para intensificar la producción de etanol desviando el piruvato a etanol durante el crecimiento bajo condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Esto permite la conversión de lactosa, glucosa, xilosa, arabinosa, galactosa y manosa a etanol sin la producción de ácidos orgánicos. Una vista simplificada del proceso se muestra en la figura 9 (no se muestra la preparación del alimento y la hidrólisis).

CO 2Scrubber

Glucose /Xylose

Fermentor

Glucose /Xylose

Fermentor

Innoculum

Sugarsfrom

Hydrolysis

BeerWell

DI

STI

LLATI

ON

Ethanol

YeastWater

CO 2CO 2

Figura 9: Ruptura ácida y fermentación con un organismo recombinante (Shleser, 94)

6. Hidrólisis ácida concentrada, reciclaje del ácido y fermentación Esta aproximación contrasta con la descrita anteriormente en que usa la hidrólisis ácida concentrada con reciclaje de casi el 100% del ácido. Algunos de los trabajos más notables en el desarrollo de esta tecnología han sido realizados en la Tennessee Valley Authority y la universidad de Southern Mississipi. En este método, la biomasa de entrada es triturada para reducir el tamaño de las partículas para su introducción en el equipo de procesamiento. El material pretratado es entonces al conducido al secador. El proceso de decristalización e hidrólisis es llevado a cabo en un contenedor consistente con los requerimientos de concentración de ácido. El hidrolizado con los azucares hexosas y pentosas es llevado al fermentador, separando previamente el ácido. Los materiales insolubles, principalmente lignina, son separados del hidrolizado por filtraje y prensado y procesados para combustible u otros usos. Los azucares C-6 y C-5 presentes en el hidrolizado son separadas del ácido sulfúrico, mezcladas con nutrientes e inoculadas con levadura para su fermentación. La levadura es removida del vino de fermentación por centrifugado y retornada a los tanques de fermentación para su reutilización. El etanol es obtenido del vino por medio de la destilación convencional y deshidratado a 200 proof con la tecnología de filtrado molecular convencional.

El ácido sulfúrico extraido del hidrolizado es recirculado y reconcentrado al nivel requerido por el paso de decristalización. Cualquier resto de ácido en la solución de azúcar es neutralizado con cal para hacer yeso hidratado, un precipitado insoluble que es separado de la solución de azúcar. En algunos casos este material puede ser vendido como un acondicionador del suelo para la agricultura. Uno de los principales problemas de esta tecnología son la cantidad de combustible extra requerido para el reciclaje y la concentración del ácido. Un esquema del proceso de hidrólisis ácida concentrada, reciclaje, y fermentación se muestra en la figura 10.

MaterialsPreconditioning

Dryer

BIOMASS

Decrystallization& Hydrolysis

AcidConcentrator

Solids SolidsDrying

Liquids

SeparationColumns

SugarSolutions

Neutralization

Fermentation

AlcoholDehydrationDistillation

Centrifuge

Water

Beer

AcidSolutions

Calcium Hydroxide

Sulfuric Acid

Ethanol

Gypsum

CO2

Water

Solids forprocess heat& electricity

Yeast & Nutrients

Water

Figura 10: Hidrólisis ácida concentrada, reciclaje del ácido y fermentación (Shleser, 94)

La etapa de fermentación El bioreactor, lugar donde se realiza la fermentación, es un sistema complejo en el que se conjugan una gran cantidad de parámetros físicos, químicos, bioquímicos y biológicos, estrechamente relacionados entre sí. En términos generales, el principal interés del proceso de fermentación consiste en producir la mayor cantidad de alcohol, cumpliendo algunos requerimientos especiales de seguridad, calidad, o ambientales. En el bioreactor los azucares simples son convertidos a etanol mediante el cultivo de microorganismos en suspensión en un medio nutritivo.

Tres rasgos esenciales del microorganismo etanologénico ideal son: alto rendimiento, alta tolerancia al etanol y un rango amplio de sustratos utilizables. Otros atributos también deseables son resistencia a los hidrolizados, no tener requerimientos de oxigeno, razón de consumo de azúcar alto, requerimientos mínimos de nutrientes, entre otros (Taherzadeh, 1999; Picataggio et al. 1994).

Las nuevas tecnologías de fermentación Actualmente, el etanol combustible es producido principalmente por la fermentación batch de almidón (de maíz) o de jarabe de glucosa (de la caña de azúcar) utilizando cepas de Saccharomyces cerevisiae o Zymomonas mobilis como el organismo fermentativo. La S. cerevisiae presenta un buen número de ventajas para su aplicación en la fermentación de biomasa. Exhibe una gran selectividad en la fermentación, produciendo etanol prácticamente como único producto. Es conocida por su alta tolerancia al etanol, y su habilidad para fermentar azucares a bajos niveles de pH proporciona protección contra la contaminación bacterial. Otra ventaja clave es su habilidad para crecer y fermentar azucares en la presencia de hidrolizados lignocelulósicos (Picataggio et al., 1994). Sin embargo, una de las mayores limitaciones de la S. cerevisiae es su incapacidad para fermentar la xilosa. Dadas sus características, la bacteria Z. mobilis se considera como un organismo alternativo en la producción de etanol combustible a gran escala. En comparación con la S. cerevisiae y otras levaduras, la Z. mobilis goza de algunas ventajas. Por ejemplo, posee una velocidad específica de toma de glucosa mayor, y una productividad especifica mayor. Como la S. cerevisiae puede crecer a niveles bajos de pH. Otra ventaja de la Z. mobilis son su habilidad para crecer a altas concentraciones de azúcar (mayores que un 25% de glucosa) y su considerable tolerancia a los inhibidores presentes en las materias primas industriales. Las mayores limitaciones de la Z. mobilis son, en primer lugar, la formación de subproductos durante la fermentación, y en segundo lugar, como en el caso de las levaduras, su estrecho rango de sustratos utilizables, restringido a glucosa, fructosa y sacarosa. La investigación actual se orienta hacia el desarrollo de microorganismos manipulados genéticamente con las características apropiadas para la fermentación comercial de materiales lignocelulosicos. Varios microorganismos, bacterias, levaduras y hongos, han sido investigados. Particular atención han recibido la S. cerevisiae y la Z. mobilis por sus excelentes cualidades intrínsecas (Ingram et al. 1985, Gunasekaran y Chandra, 1999). En particular, para mitigar las limitaciones propias de la Z. mobilis se han intentado diferentes posibilidades aprovechando su relativa docilidad a la manipulación genética (Picataggio et al., 1994). Por ejemplo, mediante la mutación y la selección clásicas se han obtenido mutantes de Z. mobilis con características de fermentación mejoradas, como mayor tolerancia a los compuestos tóxicos, y sin la formación de subproductos. Sin embargo, es la ingeniería genética la que ha permitido nuevos y mejores resultados. Algunas de las técnicas utilizadas son las siguientes:

• Introducción a Z. mobilis de genes de especies de bacterias relacionadas que

codifican las enzimas hidrolíticas de otros azucares tales como la xilosa, manosa, lactosa y arabinosa (NREL, 1995). Y de esta manera ampliar el rango de sustratos utilizables.

• Introducción a otros organismos, como la Escherichia coli, de genes de Z. mobilis involucrados en la síntesis del etanol para hacerlos etanologénicos (Ingram et al., 1985).

• En otra aproximación, se combinan en el mismo microorganismo la habilidad de producir enzimas hidrolíticas extracelulares, que degraden la celulosa y hemicelulosa, con el mecanismo de la fermentación, y convertir así directamente la biomasa en etanol (Ingram et al. 1985, Gunasekaran y Chandra, 1999).

El co-cultivo En los sistemas convencionales, la fermentación se realiza mediante el cultivo de células de una especie única de microorganismo. Sin embargo, la búsqueda de soluciones más económicas ha conducido a la aparición de nuevas tecnologías de fermentación mediante la aplicación simultánea de más de un organismo. Una de estas aproximaciones son los reactores de sacarificación y fermentación simultánea (SSF), ya mencionados. Otro método es el co-cultivo de cepas etanologénicas diferentes en un solo reactor. En el co-cultivo, uno de los microorganismos es capaz de fermentar la xilosa, en tanto que el otro fermenta las hexosas, por ejemplo.

Nuevas técnicas de control del proceso de fermentación Durante la fermentación los parámetros como la temperatura, viscosidad, pH, oxigeno disuelto, nutrientes, estado metabólico de las células, contaminación del caldo, y muchos otros, determinan y son determinados por la actividad de los agentes presentes en el bioreactor. Las posibilidades económicas de un proceso de producción de etanol, un producto de bajo costo y altos volúmenes de producción, dependen en gran medida de la optimización de la eficiencia del proceso. Para lograr esta meta, en el bioreactor, las células deben crecer en un ambiente controlado que permita reproducir fielmente la operación del bioreactor de una carga a otra (NSTC, 1995). La satisfacción de esta demanda se ve obstaculizada en primera instancia por la complejidad de los fenómenos en el interior del bioreactor que dificultan la construcción de modelos razonables que capturen la dinámica del proceso y que al mismo tiempo permitan la identificación y cuantificación de los pasos de control. Una segunda dificultad atañe a la limitada disponibilidad de sensores en tiempo real precisos y confiables (Montague, 1998). Para abordar estos problemas, se realizan esfuerzos (i) en la construcción de sensores que mejoren la calidad de la información acerca de la fisiología y el metabolismo celular, (ii) la aplicación de algoritmos complejos para extraer la mayor cantidad de información de los datos disponibles, (iii) así como en el desarrollo de esquemas de control novedosos. Una tarea fundamental para alcanzar el mejor desempeño de los sistemas de control es la generación de un modelo del proceso. Aunque es posible encontrar muchas

variaciones en su forma, en general los modelos pertenecen a una de tres categorías: mecanicista, heurística, e híbrida. Los denominados modelos mecanicistas intentan aproximar la dinámica del proceso en forma matemática mediante un sistema de ecuaciones diferenciales. Una aproximación común es la descripción no estructurada del proceso mediante un conjunto de esquemas de reacción (Bastin y Dochain, 1990). Los esquemas de reacción se basan en el análisis del balance de masas de los distintos metabolitos que intervienen en las reacciones bioquímicas, el cual permite encontrar relaciones estoquiometricas entre los flujos. Sin embargo, las leyes cinéticas son formuladas empíricamente. Esta aproximación permite obtener modelos extremadamente simples; sin embargo, no son una descripción exhaustiva del proceso. El modelo falla al tener en cuenta aspectos importantes difíciles de modelar como la variabilidad en la composición de las materias primas y los cambios en las condiciones ambientales en los procesos de fermentación industrial, (Ignova et al, 1998). Por otro lado, los modelos heurísticos no toman en cuenta el comportamiento microbiológico y emplean en su estructura sistemas fuzzy o redes neuronales. A diferencia de los modelos mecanicistas, los modelos heurísticos no necesitan de una descripción detallada del proceso y pueden lograrse modelos razonablemente precisos y robustos en situaciones donde es difícil, sino imposible, modelar de otra manera. La limitación más importante de los modelos heurísticos es que son fuertemente dependientes de la calidad de los datos disponibles y su validez se garantiza solamente dentro de la región para la cual son construidos, (Passino, 2000). Los modelos híbridos son una combinación de las aproximaciones mecanicista y heurística. En este entorno, las técnicas híbridas han probado ser una estrategia de modelado muy útil. En tales modelos, las relaciones entre los flujos se plantean mediante ecuaciones diferenciales basadas en el balance de masas, pero las cinéticas no lineales desconocidas, que aparecen como parámetros dentro de estas ecuaciones, son representadas por sistemas fuzzy o redes neuronales. Los parámetros de estas redes son estimados en línea y eventualmente pueden ser inicializados de antemano usando el conocimiento experto o los datos numéricos obtenidos de experimentos anteriores. Para capacidades de predicción comparables se ha encontrado que los modelos híbridos se comportan mejor que los modelos heurísticos y mecanicistas, requiriendo menos ejemplos de entrenamiento que los modelos heurísticos y mucho menos tiempo para ser desarrollados que los modelos mecanicistas, (Lopes et al., 1998). Los sistemas de control de los procesos de fermentación son diseñados principalmente para mantener la operación en las condiciones deseadas y mejorar la productividad. El cumplimiento de estas tareas da lugar a aproximaciones del control que pueden ser específicas para tipos de procesos particulares y de acuerdo a la escala de la operación. Los bioprocesos se caracterizan por: • tener modelos matemáticos no lineales con parámetros variables en el tiempo; • muchas variables operacionales no son medibles directamente y; • las variaciones de la conducta del cultivo de una carga a otra son bastante amplias. Consecuentemente,

• la estrategia de control debe ser capaz de alteraciones dinámicas de acuerdo con la situación real del proceso;

• el diseño del sistema control esta ligado estrechamente a la tecnología de sistema de medición y;

• el sistema de control debe comprender algún método de estimación de parámetros. Estas consideraciones permiten sugerir la necesidad de implementar esquemas de control no lineal robusto y la aplicación de las aproximaciones de la ingeniería del conocimiento, por ejemplo, los sistemas fuzzy. Estos esquemas no hacen suposición alguna respecto a la estructura analítica exacta del modelo; en vez de ello, ciertas funciones desconocidas son representadas por sistemas fuzzy con parámetros variables en el tiempo, los cuales son estimados en línea. Para hacer esto, el controlador se hace adaptativo y puede ser implementado independientemente de la, usualmente desconocida, expresión analítica para las razones especificas. Por lo tanto, un esquema de control adaptativo fuzzy parece adecuado para los sistemas de fermentación en consideración.

Conclusiones Al considerar la tecnología de la producción de etanol combustible de lignocelulosas, es posible identificar áreas de investigación en diversos campos de la ciencia y la tecnología. El indudable valor estratégico del desarrollo de una industria rentable con altos volúmenes de producción, justifica la aplicación de un sostenido esfuerzo del sector científico e industrial, bajo el apoyo integrador del estado. Los países del tercer mundo, muchos con climas tropicales y extensas áreas de tierras cultivadas, tomando en consideración la creciente necesidad de combustibles prevista para estos países para los próximos 20 años (EIA, 2001), deben considerar los beneficios potenciales de utilizar sus residuos agrícolas para la producción de alcohol. La producción de etanol del bagazo de caña, y posiblemente de otros productos agrícolas, representa posiblemente una alternativa valida para aliviar sus problemas energéticos. Estos argumentos justifican plenamente un análisis juicioso sobre su viabilidad a largo plazo.

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