Los biocombustibles

El hombre y la energía El ser humano, como todo ser vivo, depende del entorno para obtener energía. Previo al desarrollo industrial, el hombre utilizaba los animales, los vegetales, la fuerza del viento y del agua para obtener la energía necesaria para sus funciones vitales, para producir calor, luz y transporte. Luego, el hombre pasó a utilizar fuentes de energía almacenada en recursos fósiles, primero fue el carbón y posteriormente el petróleo y el gas natural. Actualmente, los combustibles fósiles y la energía nuclear proporcionan cada año alrededor del 90% de la energía que se utiliza en el mundo. Pero las reservas de combustibles fósiles son limitadas y, en mayor o menor grado, son contaminantes. Desde mediados del siglo XX, con el crecimiento de la población, la extensión de la producción industrial y el uso masivo de tecnologías, comenzó a crecer la preocupación por el agotamiento de las reservas de petróleo y el deterioro ambiental. Desde entonces, se impulsó el desarrollo de energías alternativas basadas en recursos naturales renovables y menos contaminantes, como la luz solar, las mareas, el agua, y la bioenergía proveniente de los biocombustibles.    

¿Qué son los biocombustibles? A diferencia de los combustibles fósiles que provienen de la energía almacenada durante largos períodos en los restos fósiles, los biocombustibles provienen de la biomasa, o  materia orgánica que constituye todos los seres vivos del planeta. La biomasa es una fuente de energía renovable, pues su producción es mucho más rápida que la formación de los combustibles fósiles. Entre los cultivos posibles de utilizar para la elaboración de biocombustibles, están los de alto tenor de carbohidratos (caña de azúcar, maíz, mandioca), las oleaginosas (soja, girasol, palmas) y las esencias forestales (eucalipto, pinos).  La siguiente tabla resume los biocombustibles, que se pueden obtener a partir de la biomasa:

    Fuente: http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobbies4.html

En gran parte del mundo, la leña (o carbón vegetal) que se obtiene a partir de la madera sigue siendo el principal biocombustible empleado para la cocina, la calefacción y la luz. Esta fuente de energía es un recurso renovable si se obtiene a partir de bosques convenientemente reforestados. Asimismo, muchos vehículos utilizan biocombustibles a base de metanol y etanol mezclado con gasolina. Se puede obtener etanol a partir de la caña de azúcar, de la remolacha o el maíz. En algunos países como la India y la China producen biogás a partir de la fermentación natural de desechos orgánicos (excrementos de animales y residuos vegetales). 

La obtención de biocombustibles Según la naturaleza de la biomasa y el tipo de combustible deseado, se pueden

utilizar diferentes métodos para obtener biocombustibles: procesos mecánicos (astillado, trituración, compactación), termoquímicos (combustión, pirolisis y gasificación), biotecnológicos (micro bacterianos o enzimáticos) y extractivos. En la siguiente tabla se presenta una síntesis de estos principales procesos de transformación y de los biocombustibles derivados, así como las aplicaciones más frecuentes en cada uno de ellos.  Cada uno de estos procesos se inicia con la biomasa vegetal que se forma a partir del proceso de fotosíntesis, con el aporte de la energía solar que captan y transforman estos organismos.

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Fuente: http://usuarios.lycos.es/biodieseltr/hobbies4.html

Cada técnica depende del tipo de biomasa disponible. Si se trata de un material seco puede convertirse en calor directo mediante combustión, el cual producirá vapor para generar energía eléctrica. Si contiene agua, se puede realizar la digestión anaeróbica que lo convertirá en metano y otros gases, o fermentar para producir alcohol, o convertir en hidrocarburo por reducción química. Si se aplican métodos termoquímicos es posible extraer metanol, aceites, gases, etc. El método de la digestión por el cual se obtiene biogás es el más empleado. 

Biocombustibles, producción y beneficios 1. El bioetanol Ya en el año 1908, cuando Henry Ford diseño su primer automóvil, él mismo promovía el empleo de etanol combustible, fabricado a partir de fuentes renovables. De hecho, en la década de 1920 se comercializó en Estados Unidos un 25% de etanol en la gasolina pero los altos precios del maíz, combinados con dificultades en el almacenamiento y transporte, hicieron concluir el proyecto. En la década de 1930 Henry Ford y varios expertos unieron fuerzas y se construyó una planta de fermentación para fabricar etanol a partir de maíz para combustible de motores, al que llamaron "gasohol". Pero en la década de 1940, los bajos precios del petróleo llevaron al cierre de la planta de producción de etanol, y el gasohol fue reemplazado por el petróleo.En la actualidad, el reemplazo del petróleo por fuentes de energía renovables y más limpias vuelve a cobrar impulso, y el bioetanol se presenta como una alternativa atractiva. El bioetanol es un alcohol y su mayor parte se fabrica siguiendo un procedimiento similar al de la cerveza, en el que los almidones son convertidos en azúcares, los azúcares se convierten por fermentación en etanol, el que luego es destilado en su forma final.Se produce principalmente a partir de caña de azúcar o maíz (en algunos casos el maíz es mezclado con un poco de trigo o cebada), cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces. La caña de azúcar es la fuente más atractiva para la producción de etanol, ya que los azúcares que contiene son simples y fermentables directamente por las levaduras. El mayor inconveniente es que resulta cara como materia prima. Los cultivos como el maíz son ricos en almidón, un hidrato de carbono complejo que

necesita ser primero transformado en azúcares simples. Este proceso se denomina sacarificación, e introduce un paso más en la producción, con el consecuente aumento en los costos.La producción podría realizarse a partir de desechos agrícolas, forestales, industriales o municipales. Las materias primas ricas en celulosa, como los desechos agrícolas y forestales son las más abundantes y baratas, sin embargo la conversión de la celulosa en azúcares fermentables es un proceso complejo y costoso que hace que la obtención de etanol a partir de desechos no sea rentable, al menos por ahora.Los principales productores de alcohol como combustible son Brasil, Estados Unidos y Canadá. Brasil lo produce a partir de la caña de azúcar y lo emplea como “hidro-alcohol” (95% etanol) o como aditivo de la gasolina (24% de etanol). Estados Unidos y Canadá lo producen a partir de maíz (con un poco de trigo y cebada) y es el biocombustible más utilizado en diferentes formulaciones que van desde el 5% al 85% de etanol. Más de 1.500 millones de galones (5.670 millones de litros aprox.) se agregan anualmente a la gasolina para mejorar el rendimiento de los vehículos y reducir la polución atmosférica. 

2. El Biodiesel Cuando Rudolf Diesel diseño su prototipo de motor diesel cien años atrás, lo hizo funcionar con aceite de maní. El vislumbraba que los motores diesel operarían a base de una variedad de aceites vegetales. Pero cuando el combustible diesel proveniente del petróleo irrumpió en el mercado, se convirtió en el combustible elegido ya que era barato, razonablemente eficiente y fácilmente disponible. A mediados de los 70, la escasez de combustible en los Estados Unidos estimuló el interés en diversificar sus fuentes y con ello el interés en desarrollar biodiesel como una alternativa al fabricado con petróleo. En la actualidad, las preocupaciones crecientes sobre la posibilidad de un cambio global del clima está agregando más ímpetu al desarrollo de biodiesel como una alternativa al diesel de petróleo. El biodiesel es un éster que puede producirse a partir de diferentes tipos de aceites vegetales, como los de soja, colza, girasol, y a partir de grasas animales.

El proceso de elaboración del biodiesel está basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores. Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol, el glicerol. En la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerol. Estos ésteres metílicos o etílicos (biodiesel) se mezclan con el combustible diesel convencional en cualquier proporción o se utilizan como combustible puro (biodiesel 100%) en cualquier motor diesel. El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción.

El biodiesel tiene una cantidad de energía similar al diesel de petróleo pero es un combustible más limpio que el diesel regular y puede ser utilizado por cualquier tipo de vehículo diesel (vehículos de transporte, en embarcaciones, naves turísticas y lanchas), solo o en solución como aditivos para mejorar la lubricidad del motor. Actualmente el biodiesel se usa en varios países en mezclas con porcentajes diversos. Existe interés en utilizar biodiesel donde los trabajadores son expuestos a gases de escape de diesel, en aeronaves, para controlar la polución en el área de los aeropuertos y en locomotoras que enfrentan restricciones en su uso debido a sus emisiones.El uso de biodiesel presenta ciertas ventajas:

• No contiene azufre y, por ende, no genera emanaciones de este elemento, las cuales son responsables de las lluvias ácidas.

• Mejor combustión, que reduce el humo visible en el arranque en un 30%.• Reduce las emanaciones de CO2, CO, partículas e hidrocarburos aromáticos.• Los derrames de este combustible en las aguas de ríos y mares resultan menos

contaminantes y letales para la flora y fauna marina que los combustibles fósiles.• Volcados al medio ambiente se degradan más rápidamente que los

petrocombustibles.• Su combustión genera menos elementos nocivos que los combustibles

tradicionales.• Es menos irritante para la piel humana.• Actúa como lubricante de los motores prolongando su vida útil.• Su transporte y almacenamiento resulta más seguro que el de los

petroderivados ya que posee un punto de ignición más elevado. El biodiesel puro posee un punto de ignición de 148°C contra los escasos 51°C del gasoil.

    3. El BiogásCasi tres mil millones de personas en el mundo emplean todavía la leña como fuente de energía para calentar agua y cocinar, lo que provoca, entre otros efectos, la pérdida de millones de hectáreas de bosques tropicales y zonas arboladas. En respuesta a esta situación surgen otras alternativas para obtener energía, entre ellas, la producción de biogás a partir de la fermentación de la materia orgánica. Para la obtención de biogás se puede utilizar como materia prima la excreta animal, la cachaza de la caña de azúcar, los residuales de mataderos, destilerías y fábricas de levadura, la pulpa y la cáscara del café, así como la materia seca vegetal. Esta técnica permite resolver parcialmente la demanda de energía en zonas rurales, reduce la deforestación debida a la tala de árboles para leña, permite reciclar los desechos de la actividad agropecuaria y, es un recurso energético “limpio” y renovable.       El biogás que se desprende de los tanques o digestores es rico en metano que puede ser empleado para generar energía eléctrica o mecánica mediante su combustión, sea en plantas industriales o para uso doméstico.

Las fotografías muestran digestores de uso doméstico y otros industriales para la obtención de biogás. La primera instalación doméstica para producir biogás se habría construido en la India alrededor del 1900. Actualmente funcionarían en ese país alrededor de 200 mil biodigestores, y en China alrededor de 6 millones. Las instalaciones industriales de producción de biogás emplean tanques de metal que sirven para almacenar la materia orgánica y el biogás por separado. Debido al gran volumen de materia orgánica que necesita para garantizar la producción de biogás y la cantidad de biofertilizante que se obtiene, se diseña con grandes estanques de recolección y almacenamiento construidos de ladrillo u hormigón. Fuente: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia22/HTML/articulo04.htm 

El biogás se obtiene al descomponerse la materia orgánica debido a la acción de cuatro tipos de bacterias, en ausencia de oxígeno: a. las hidrolíticas, que producen ácido acético, compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados; b. las acetogénicas, productoras de hidrógeno;c. las homoacetogénicas, que pueden convertir una cantidad considerable de compuestos carbonados en ácido acético; d. las metanogénicas, productoras del gas metano, principal componente del biogás, con una proporción de 40 a 70 % de metano (CH4).  

Algunas ventajas del empleo de biogás: 1. Permite disminuir la tala de los bosques al no ser necesario el uso de la leña para cocinar.2. Presenta diversidad de usos: alumbrado, cocción de alimentos, producción de energía eléctrica, transporte automotor y otros. 3. Produce biofertilizante rico en nitrógeno, fósforo y potasio, capaz de competir con los fertilizantes químicos, que son más caros y dañan el medio ambiente. 4. Elimina los desechos orgánicos, por ejemplo, la excreta animal, contaminante del medio ambiente y fuente de enfermedades para el hombre y los animales.

Beneficios de los biocombustibles El uso de biomasa vegetal en la elaboración de combustibles podría beneficiar la realidad energética mundial con una significativa repercusión en el medio ambiente y en la sociedad, como se detalla a continuación: a. El uso de biocombustibles como fuente de energía renovable puede contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles, responsables de la generación de emisiones de gases efecto invernadero. b. Son una alternativa viable al agotamiento ya sensible de energías fósiles, como el gas y el petróleo, donde ya se observa incremento en sus precios.c. Se producen a partir de cultivos agrícolas, que son fuentes renovables de energía. d. Pueden obtenerse a partir de cultivos propios de una región, permitiendo la producción local del biocombustible. e. Permiten disponer de combustible independientemente de las políticas de importación y fluctuaciones en el precio del petróleo. f. Producen mucho menos emisiones nocivas para los seres vivos, el agua y el aire. 

Biocombustibles en ArgentinaEn la Argentina el desarrollo de un mercado de biodiesel y bioetanol presenta ventajas que hacen que el gobierno esté impulsando proyectos de producción en diferentes regiones del país. Existe un Proyecto de Ley en el Honorable Senado de la Nación, presentado el 6 de julio de 2004 destinado a promover el desarrollo de energías alternativas limpias y a ayudar de forma significativa al desarrollo sustentable de los biocombustibles en Argentina a través de incentivos fiscales a la producción y comercialización (ver http://www.sagpya.mecon.gov.ar/nw/0-0/agricultura/index.php).    En un documento publicado por la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentos, titulado “Biodiesel en Argentina” se destacan las ventajas de producir biodiesel en la Argentina. Entre ellas:  1. La producción de oleaginosas en Argentina, principalmente soja, cubre la demanda que se necesita para la producción del biocombustible.2. Existen grandes superficies aptas para el desarrollo de cultivos oleaginosos siendo el producto de estos (aceites) el principal insumo para la producción del biocombustible. 3. Con el desarrollo del Biodiesel se podría originar mayor valor agregado al aceite, materia prima para la producción del biocombustible.4. Argentina es uno de los líderes mundiales en exportación de aceites vegetales.5. Gran mercado interno de consumo de combustible diesel.6. Posibilidad de emplear el biodiesel puro o combinado con el combustible fósil. Actualmente el gasoil es el combustible que lidera el consumo, con el 50,6% del total de combustibles consumidos. Esto es fundamental por la posibilidad que tiene el biodiesel de sustituir el gasoil o mezclarse con el mismo en la proporción que

desee sin alterar el normal funcionamiento del motor. Por ejemplo, 20% biodiesel, 80% gasoil.7. Favorable impacto ambiental.8. Compromiso del Gobierno Nacional en apoyar todo proyecto para producir Biodiesel.

Actualmente las plantas elaboradoras de aceites se localizan en 6 provincias argentinas, la mayoría de las mismas cercanas a las zonas de embarque de la Pcia. de Santa Fe, y sur de la Provincia de Buenos Aires, respondiendo a la actual estructura agro-exportadora Argentina. Existen otras áreas donde la producción también es factible. Además, la producción de biodiesel podría generar nuevos negocios, como nuevas plantas elaboradoras de aceite, aprovechamiento integral de los subproductos, ej.: glicerina, fertilizante potásico, recuperación de los alcoholes que se hayan empleado en la transesterificación de los aceites, y la posibilidad de obtener otros productos tales como lubricantes, solventes e insecticidas.

Biotecnología y BiocombustiblesSi se considera el sentido más amplio o clásico del término “biotecnología”, la obtención de combustibles a partir de organismos o de sus derivados, convierten al biocombustible en un producto biotecnológico. También la biotecnología moderna que emplea técnicas de ingeniería genética para el mejoramiento de cultivos puede contribuir de forma significativa al desarrollo de los biocombustibles reduciendo los costos de cultivo y aumentando el potencial de producción de forma significativa. Esto permitiría aumentar la competitividad de los cultivos energéticos en relación con los combustibles fósiles. Entre los proyectos en desarrollo se encuentra la obtención de levaduras OGM para la producción de bioetanol a partir de desechos agrícolas. Según las Novedades en Biotecnología publicadas el 1º de julio de 2004 en www.porquebiotecnologia.com la Universidad de Purdue (EEUU) obtuvo una cepa de levadura genéticamente modificada capaz de producir bioetanol a partir de residuos celulósicos que habitualmente se desechan o se destinan a la alimentación animal. La levadura OGM produce un 40% más de bioetanol a partir de azúcares derivados de residuos, como cañas de maíz y paja de trigo, que las levaduras comunes. Otro proyecto, contempla la modificación genética de bacterias para optimizar la conversión de la pulpa de la remolacha azucarera, generalmente de poco valor para los agricultores y procesadores de este cultivo, en una importante fuente renovable de metanol. Se estima que, a largo plazo, los avances de la biotecnología podrán ofrecer aún mayores ventajas en los cultivos bioenergéticos que aumentarán la eficiencia de los mismos.

Bioetanol

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Definición y característicasEl alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caía de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta.

El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales.

Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que fija la proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer de un veh�culo flexible (FFV), con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-tercbutil �ter (ETBE).

Las especificaciones para la utilización de bioetanol se compendian en la norma Europea de Gasolinas EN 228, en España se encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE relativa a la calidad de las gasolinas y gasóleo, en el Real Decreto R.D. 61/2006 de las especificaciones y uso de biocarburantes.

Procesos de obtención de bioetanolEl bioetanol se obtiene a partir de la remolacha (u otras plantas ricas en azúcares), de cereales, de alcohol vínico o de biomasa, mediante un proceso de destilación. En España la producción industrial emplea principalmente cereal como materia prima básica, con posibilidad de utilizar los excedentes de la industria remolachera transformados en jugos azucarados de bajo costo. En general, se utilizan tres familias de productos para la obtención del alcohol:

Azucares, procedentes de la caña o la remolacha, por ejemplo. Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. Biomasa, por la fermentación de los azúcares contenidos en la celulosa y

hemicelulosa.

El esquema general de fabricación del bioetanol (diagrama 1), muestra las siguiente fases en el proceso

Dilución:Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol.

Conversión:La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida.

Fermentación:La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol

Destilación o Deshidratación:La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma de destilación, conocida desde la antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada.

Gráfica 1. Proceso de obtención de bioetanol.

Otra alternativa a las cosechas dedicadas a fines energéticos, son los materiales lignocelulïícos son los que ofrecen un mayor potencial para la producción de bioetanol, el uso de residuos de procesos agrícolas, forestales o industriales, con alto contenido en biomasa. Estos residuos pueden ir desde la paja de cereal a las "limpias" forestales, pasando por los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) o las cáscaras de cereal o de arroz. Los residuos tienen la ventaja de su bajo coste, ya que son la parte no necesaria de otros productos o procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentación del ganado. Los RSU tienen un alto contenido en materia orgánica, como papel o madera, que los hace una potencial fuente de materia prima, aunque debido a su diversa procedencia pueden contener otros materiales cuyo pre proceso de separación incremente mucho el precio de la obtención del bioalcohol.

También pueden utilizarse residuos generados en algunas industrias, como la papelera, la hortofrutícola o la fracción orgánica de residuos sólidos industriales. Muchos de estos residuos no sólo tienen valor económico en el contexto donde se generan sino que pueden ser causa de problemas ambientales durante su eliminación [Cabrera, J. A., 2006].

Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados celulosa, hemicelulosa y lignina. Para obtener los azúcares de la biomasa, ésta es tratada con ácidos o enzimas que facilitan su obtención. La celulosa y hemicelulosa son hidrolizadas por enzimas o diluidas por ácidos para obtener sacarosa, que es entonces fermentada. Los principales métodos para extraer estos azúcares son tres: la hidrólisis con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática. En la gráfica 2 se muestra las diferencias entre los procesos de obtención de bioetanol, según sea su materia prima de origen.

Gráfica 2. Diferencias en los procesos de obtención de bioetanol.

Otro ejemplo de proceso de obtención de bioetanol a partir de alcohol vínico, lo lleva a cabo la empresa Acciona-Energía en la planta de Alcázar de Juan, donde se procede a la limpieza y deshidratación del alcohol bruto, adquirido en las licitaciones que realiza trimestralmente el Fondo Español de Garantía Agraria (FEGA), para elevar su pureza del 92 % al 99,9 % y comercializarlo, una vez desnaturalizado, como bioetanol. El proceso comprende las siguientes fases:

Desulfuración:eliminación del anhídrido sulfuroso (SO2) presente en el alcohol bruto.

Deshidratación: reducción del contenido en agua mediante su tamizado con zeolitas, sustancias que captan las moléculas de agua.

Desmetilización: proceso en el que el alcohol ya deshidratado (99,9%) ve separado su contenido de metanol. Esta sustancia resulta corrosiva para los vehículos y puede ser comercializada como producto químico o combustible

Almacenamiento en depósitos: desde ellos el producto se trasporta por tuberías a la cisterna de carga y en ese trayecto se le añade una sustancia que desnaturaliza el bioetanol para evitar así su derivación al consumo humano.

Subproductos de la obtención del bioetanolLos subproductos generados en la producción de bioetanol, así como el volumen de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se pueden agrupar en dos tipos:

Materiales lignocelulïícos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización energética en cogeneración, especialmente para cubrir las necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender el excedente a la red eléctrica (con precio primado).

Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilería de maíz desecados con solubles (DDGS), que son los restos energéticos de la planta después de la fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado de piensos animales por su riqueza en proteína y valor energético.

La caña de azúcar es la planta más aprovechable por el bagazo generado para su combustión y generación energética. La remolacha azucarera genera, por su parte, unas 0,75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido.

La producción de bioetanol a partir de trigo o maíz genera en torno a 1,2 ton de DDGS por tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofías alimenticias en cuanto al empleo del DDGS. Cuando el pienso está en el 15 % o menos de la dieta, el DDGS sirve como una fuente de proteína suplementaria. Cuando el pienso está en los niveles más altos (superior al 15 % de la dieta de la materia seca) su papel primario es como fuente de energía. El DDGS está compuesto de grasa "en un 10-15 %", de fibra neutra detergente "en un 40-55 %", de proteína de crudo (CP) "en un 30-35 %" y de ceniza en un 5 %.

Balance energético de la producción de bioetanolPara que el etanol contribuya perceptiblemente a las necesidades de combustible para el transporte, necesitaría tener un balance energético neto positivo. Para evaluar la energía neta del etanol hay que considerar cuatro variables: la cantidad de energía contenida en el producto final del etanol, la cantidad de energía consumida directamente para hacer el etanol, la calidad del etanol resultante comparado con la calidad de la gasolina refinada y la energía consumida indirectamente para hacer la planta de proceso de etanol.

Aunque es un asunto que crea discusión, algunas investigaciones que hagan caso de la calidad de la energía sugieren que el proceso toma tanta o más energía combustible fósil (en las formas de gas natural, diesel y de carbón) para crear una cantidad equivalente de energía bajo la forma de etanol. Es decir, la energía necesitada para funcionar los tractores, para producir el fertilizante, para procesar el etanol, y la energía asociada al desgaste y al rasgón en todo el equipo usado en el proceso

(conocido como amortización del activo por los economistas) puede ser mayor que la energía derivada del etanol al quemarse.

Se suelen citar dos defectos de esta argumentación como respuesta, en primer lugar el no dar importancia a la calidad de la energía del bioetanol, cuyos efectos económicos son importantes. Si se compara la calidad de la energía con los costes de descontaminación del suelo que provocan los derrames de gasolina al ambiente y los costes "módicos" de la contaminación atmosférica (porque no se puede descontaminar la atmósfera), resultado de la refinación y de la gasolina quemada. Por otro lado, el desarrollo de las plantas de etanol implica un prejuicio contra este producto basado estrictamente sobre la pre-existencia de la capacidad de refinación de la gasolina. La decisión última se debería fundar sobre razonamientos económicos y sociales a largo plazo.

El primer argumento, sin embargo, sigue debatiéndose. No tiene sentido quemar 1 litro de etanol si requiere quemar 2 litros de gasolina (o incluso de etanol) para crear ese litro. La mayor parte de la discusión científica actual en lo que al etanol se refiere gira actualmente alrededor de las aplicaciones en las fronteras del sistema. Esto se refiere a lo completo que pueda ser el esquema de entradas y salidas de energía. Se discute si se deben incluir temas como la energía requerida para alimentar a la gente que cuida y procesa el maíz, para levantar y reparar las cercas de la granja, incluso la cantidad de energía que consume un tractor.

Además, no hay acuerdo en qué clase de valor dar para el resto del maíz, como el tallo por ejemplo, lo que se conoce comúnmente como coproducto. Algunos estudios propugnan que es mejor dejarlo en el campo para proteger el suelo contra la erosión y para agregar materia orgánica. Mientras que otros queman el coproducto para accionar la planta del etanol, pero no evitan la erosión del suelo que resulta, lo cual requerirá más energía en forma de fertilizante.

Dependiendo del estudio, la energía neta varía de 0,7 a 1,5 unidades de etanol por unidad de energía de combustible fósil consumida. En comparación si el combustible fósil utilizado para extraer etanol se hubiese utilizado para extraer petróleo y gas se hubiesen llenado 15 unidades de gasolina, que es un orden de magnitud mayor. Pero, la extracción no es igual que la producción. Cada litro de petróleo extraído es un litro de petróleo agotado.

Para comparar el balance energético de la producción de la gasolina a la producción de etanol, debe calcularse también la energía requerida para producir el petróleo de la atmósfera y para meterlo nuevamente dentro de la tierra, un proceso que haría que la eficiencia de la producción de la gasolina fuese fraccionaria comparada a la del etanol. Se calcula que se necesita un balance energético de 200 %, o 2 unidades de etanol por unidad de combustible fósil invertida, antes de que la producción en masa del etanol llegue a ser económicamente factible.

Demostraciones prácticas de los retos y oportunidades de la producción de bioetanol de primera y segunda generación a partir de cultivos tropicales

Teresa Zamora-Hernández * , ,  Adriana Prado-Fuentes * , ,  Jacqueline Capataz-Tafur * , ,  Blanca E. Barrera-Figueroa * , ,  Julián M. Peña-Castro * , , , 

Open Access funded by Universidad Nacional Autónoma de México

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doi:10.1016/S0187-893X(14)70534-8

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Abstract (Practical demonstrations of challenges and opportunities on first and second

generation bioethanol production using tropical crops)

Modern society depends on non-renewable energy sources like petroleum

hydrocarbons for transportation fuel. There is currently a great interest in developing

new sources and processes for biofuels. Ethanol is a promising biofuel obtained from

carbohydrate fermentation by baker’s yeast (Sac-charomyces cerevisiae). In this work,

we present a set of teaching lab sessions where students prepare fermentations and

produce first (free sugars and starch) and second (cellulose) generation bioethanol.

Several carbohydrate sources produced in the tropical regions of Mexico and the

Americas were tested, for example, juice (pineapple, sugarcane, grape and apple),

tuberous crops (cassava, potato and sweet potato) and cellulose (sugarcane leaves

and recycled paper). Sessions were developed as supervised research projects and

students learnt and discussed the principles and challenges of ethanol biofuel

production.

Resumen

La sociedad moderna depende del petróleo —una fuente no renovable— para obtener

el combustible necesario para trasladar personas y productos. Actualmente existe el

interés de desarrollar fuentes renovables y procesos de producción de

biocombustibles. Entre las más importantes está el bioetanol que se produce a partir

de fuentes de carbohidratos mediante la fermentación microbiana, especialmente por

la levadura del pan (Saccharomyces cerevisiae). En este trabajo se presenta una serie

de prácticas de laboratorio en las que los estudiantes desarrollan fermentaciones para

producir bioetanol de primera (azúcares libres y almidón) y segunda generación

(celulosa). Debido a que las zonas tropicales de México y de otros países americanos

se están considerando como las más propicias para el cultivo de las materias primas

vegetales, se probaron fuentes de carbohidratos de estas regiones tales como jugos

(piña, caña de azúcar, uva y manzana), almidón de tubérculos (camote, papa y

malanga) y celulosa (hojas de caña y papel reciclado). Las prácticas se desarrollaron

como investigación dirigida y con ellas se aprenden y discuten los principios y los retos

de la producción de etanol como biocombustible.

Keywords

bioethanol; 

biofuel; 

saccharification; 

fermentation; 

Saccharomyces cerevisiae

Palabras Clave

bioetanol; 

biocombustible; 

sacarificación; 

fermentación; 

Saccharomyces cerevisiae

1. Introducción

Para movilizar a las personas y a los productos, la sociedad moderna depende de las

máquinas de combustión interna que usan gasolina. Este combustible se produce por

medio de refinación del petróleo, una fuente natural no renovable. A pesar de que

México es el séptimo productor volumétrico de petróleo en el mundo, es un país

importador de gasolina. El 50% de los 135 millones de litros diarios de gasolina que se

consumen en México son importados, mayoritariamente de Estados Unidos. Este

escenario de fuentes energéticas convencionales es más desalentador si se toma en

cuenta que los expertos calculan que México se convertirá en un importador neto de

petróleo en el año 2020 (USEIA, 2011).

Esta problemática no solo es de México, sino también internacional. Ante esto, los

científicos están explorando alternativas de combustibles que se puedan producir de

forma masiva como la gasolina pero que, a diferencia de ésta, se puedan obtener de

fuentes renovables, como las plantas de cultivo tropicales (SE, 2006; USDE,

2006; EPE, 2009).

El combustible que cumple con estas características y que parece ser el más

prometedor es el bioetanol (USDE, 2006). El bioetanol se sintetiza bioquímicamente

por las levaduras como el producto final de la glucólisis y de la regeneración anaerobia

de NAD+ (figura 1). De esta forma, cualquier fuente de carbohidratos tiene el potencial

de transformarse en etanol. Si esta fuente de carbohidratos es de origen vegetal, se

recupera de forma indirecta la energía luminosa captada durante la fotosíntesis (figura

2; USDE, 2006).

Figura 1. 

La glicólisis y la fermentación son las rutas metabólicas por las que se sintetiza

etanol en la levadura del pan Saccharomyces cerevisae.

Mediante una ruta bioquímica de 10 reacciones enzimáticas diferentes

conocida como la glicólisis, una molécula de glucosa se oxida para producir

dos moléculas de piruvato. En el proceso, también se sintetizan dos moléculas

de Adenosin Trifosfato (ATP) a partir de Adenosin Difosfato (ADP) y dos de

Dinucleótido de Adenina y Nicotinamida reducido (NADH) a partir de

NAD+ también llamado NAD oxidado. El ATP es una molécula de alta energía

que se utiliza en la célula para transportar la energía extraída de la glucosa, y

el NADH es un acarreador de electrones. Para que la glicó-lisis continúe

funcionando, el NAD+necesita ser regenerado a partir de NADH; esto se logra

gracias a la fermentación. La fermentación consiste en la conversión de

piruvato en etanol gracias a la catálisis de las enzimas piruvato descarboxilasa

(PDC) y de la alcohol deshidrogenasa (ADH). Así, se puede considerar que el

etanol es el residuo metabólico de la extracción de energía de la glucosa.Figure options

Figura 2. 

Materias primas, rutas metabólicas y procesos para la producción de bioetanol.

Las plantas utilizan la energía solar capturada durante la fotosíntesis para

producir moléculas de carbono que funcionan como soportes estructurales

(hemicelulosa y celulosa), reservas energéticas (almidón) y fuente de

nutrientes (sacarosa y fructosa). Las moléculas más complejas como la

celulosa y la hemicelulosa se pueden procesar química y enzimáticamente

para producir sus monómeros, que son glucosa (seis carbonos) y xilosa (cinco

carbonos), respectivamente. La glucosa se puede utilizar por la levadura del

pan (Saccharomyces cerevisiae) durante la glicólisis y la fermentación para

sintetizar etanol de manera anaerobia. La xilosa no puede ser utilizada por

cepas silvestres de S. cerevisiae, pero sí por otras levaduras como las del

género Pichia o por cepas transgénicas de S. cerevisiae. El polímero llamado

almidón se puede tratar química o enzimáticamente para liberar sus

monómeros de glucosa e incorporarlos a la glicólisis y fermentación. Las

moléculas más sencillas como la sacarosa y fructosa se pueden incorporar

mediante rutas metabólicas convergentes a la glicólisis y a la fermentación

para sintetizar etanol. Sin importar la materia prima, el bioetanol se tiene que

someter a un proceso de refinación donde se separa, purifica y deshidrata para

usarse como biocombustible.Figure options

Cuando la obtención de etanol es a partir de carbohidratos solubles de origen vegetal

—por ejemplo, la sacarosa— o de polímeros simples como el almidón, se la denomina

producción de primera generación; cuando se obtiene de polímeros de carbohidratos

complejos como la hemicelulosa y la celulosa se le denomina de segunda generación

(GFM, 2010). Mientras que los procesos de primera generación son relativamente

simples, sus materias primas (frutos, tubérculos, jugos) no son abundantes, con la

notoria excepción de la caña de azúcar. Por otro lado, los procesos de segunda

generación son complejos pero sus fuentes son abundantes (ej. hojas, aserrín, pastos

y residuos agrícolas;USDE, 2006).

Las materias primas vegetales para la producción de etanol se pueden colocar en

cuatro grupos (figura 2): jugos frutales, biomasa de pastos, tubérculos y residuos

agroindus triales. Los jugos de frutas son simples de usar para producir etanol, de

hecho, el proceso milenario de hacer vino es similar salvo que no existe un paso de

purificación del etanol por medio de la destilación fraccionada (Epstein,   et al ., 2010 ).

Las fuentes no frutales de jugos vegetales no son tan variadas, pero sí son

abundantes; tales son los casos de la caña de azúcar (cultivo tropical) y la remolacha

(cultivo de zonas frías), y ambos son fácilmente fermentables (BDB, 2008). Los

tubérculos se han propuesto recientemente como cultivos para bioetanol y su

preprocesamiento es sencillo (Purohit y Mishra, 2012); sin embargo, su productividad

en campo es menor a la de la caña de azúcar, y al igual que las semillas de los pastos

(ej. maíz), son fuente de alimentación humana, teniendo su uso el riesgo de causar

desabasto alimentario. Finalmente, los residuos agroindustriales si bien son

abundantes, su uso es complejo pues primero se necesita sacarificar la materia prima,

es decir, liberar carbohidratos simples como la glucosa de estructuras complejas como

la lignocelulosa (USDE, 2006; Jutakanoke,   et al ., 2012 ).

La optimización de estos procesos, su estudio bioquímico y su implementación

biotecnológica están actualmente en la frontera de la investigación moderna. Dos

casos de éxito de esto último son Brasil, donde el bioetanol que se obtiene de la caña

de azúcar ha sustituido en un 40% a la gasolina (BDB, 2008; EPE, 2009), y EUA,

donde el bioetanol que se obtiene del almidón de maíz se usa rutinariamente en

mezcla con gasolina (USDE, 2006).

En la actualidad existen grandes expectativas globales de usar tierras agrícolas

ociosas o marginales en los trópicos para sembrar y expandir los cultivos útiles para la

producción de biocombustibles (USDE, 2006). En México, los estados adyacentes al

Golfo de México y al Océano Pacífico son candidatos ideales para la producción de

bioetanol debido a sus condiciones climáticas y a la tradición centenaria de cultivo de

caña de azúcar y pastos para ganadería (SE, 2006).

Debido a la imperante necesidad de desarrollar tecnologías que provean a la sociedad

moderna de nuevas fuentes de combustibles, es necesario familiarizar desde

temprano a los estudiantes de las carreras químicas y biotecnológicas de nivel medio y

superior con los procesos de obtención de bioetanol y con los retos de su producción.

Adicionalmente, también se debe promover en los estudiantes la capacidad de

reconocer en su entorno las materias primas disponibles para el proceso.

De esta forma, en este trabajo presentamos una serie de demostraciones prácticas

que pueden implementarse en cursos de bioquímica, biotecnología y bioprocesos, que

ayudan a explicar los fundamentos y los retos de la producción de bioetanol.

2. Materiales y métodos

2.1. Dinámica de trabajo

La estrategia de trabajo consistió en realizar las prácticas como proyecto de

investigación dirigido. A los estudiantes se les presentó la idea del proyecto por el

instructor y ellos decidieron qué materias primas utilizar (tabla 1). En cada práctica (ver

secciones 2.4, 2.5 y2.6) se dirigió a los estudiantes a resolver las preguntas que se

detallan en la sección de Resultados y Discusión y a presentar estrategias alternativas

a las usadas en la práctica. Finalmente, se les pidió un reporte grupal de sus

resultados.

Tabla 1.

Cálculos de rendimiento potencial de bioetanol por hectárea cultivada de

diversas materias primas seleccionadas y procesadas por los estudiantes. La

densidad utilizada para convertir mililitros de etanol a gramos fue de

0.789 g/cm3.

Materia prima

Producción de bioetanol (g etanol / 100 mL o 100 g de materia prima)

Rendimiento del cultivo (ton ha–1 / L ton–1 )

Rendimiento potencial de bioetanol (kg de etanol por hectárea cultivada)

Jugo de uva

7.0 11.8a / 800 b 660

Jugo de manzana

6.3 9.2 a / 700 b 405

Jugo de piña

3.2 42a / 480c 645

Jugo de caña

7.0 76a / 580d 3085

Almidón de papa

8.8 27a 2376

Materia prima

Producción de bioetanol (g etanol / 100 mL o 100 g de materia prima)

Rendimiento del cultivo (ton ha–1 / L ton–1 )

Rendimiento potencial de bioetanol (kg de etanol por hectárea cultivada)

Almidón de camote

8.6 21a 1806

Almidón de

malanga

4.4 3.8a 167

Hojas de caña

1.1 17a 187

Papel bond

0.75 N.A. N.A.

N.A. No aplica pues es un deshecho ya procesado.

a

http://bit.ly/SVDcdk

b

http://bit.ly/1jECIuT

c

http://bit.ly/W2FYVa

d

ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/010/a1525s/a1525s05.pdfTable options

2.2. Fermentaciones

El organismo que se utilizó en todos los experimentos fue la levadura del pan

Saccharomyces cerevisiae en forma de la presentación comercial liofilizada “La

Pastora” en una relación 1.2% W/V. Las fermentaciones se llevaron a cabo por 24

horas a temperatura ambiente (28 °C) y sin agitación, a menos que se indique lo

contrario. Como contenedor, se usaron matraces de 500  mL con un volumen máximo

de sustrato de 250  mL. Los matraces se sellaron con tapones de goma y Parafilm.

Los tapones tenían un orificio donde se introdujo un vidrio en forma de U con un

extremo largo y uno corto. El extremo corto se colocó dentro del matraz y el largo se

ubicó hacia afuera, de tal forma que pudiera sumergirse en una trampa de CO2 de 200

mL (Ca(OH)2, 1.5% W/V) para mantener un ambiente anaeróbico (Epstein et al.,

2010).

2.3. Métodos analíticos

El contenido de carbohidratos en las muestras clarificadas por centrifugación (4,000 g

por 2 min), antes y después de la fermentación, se midió con un refractómetro digital

portátil (Atago, EUA) y se expresó en grados Brix (porcentaje W/V de azúcares libres).

De ser necesario, una vez clarificadas, las muestras se pueden guardar a 4 °C. El

crecimiento de la levadura se midió por peso seco (24 h a 70 °C) del sedimento

centrifugado (2000 g por 2 min). El rendimiento de bioetanol se determinó mediante

destilación fraccionada a 75 °C con un kit educativo (SEV, México). La pureza del

destilado se verificó en diluciones con un alcoholímetro graduado en unidades Gay-

Lussac (Mantey, México), oscilando entre 93-96%.

2.4. Producción de etanol de primera generación a partir de jugos frutales, jugo de

caña de azúcar y tubérculos

Los jugos de uva y manzana se adquirieron de marcas comerciales como Jumex y

Boing, mientras que el de piña se compró en mercados locales. El jugo de caña se

obtuvo por prensado de cañas maduras (7 meses) recién cortadas. Todos se utilizaron

en las fermentaciones directamente sin otro procesamiento. Para demostrar el

crecimiento de la levadura y la cinética de producción de bioetanol, se montaron

fermentaciones exclusivas para el muestreo en cada intervalo de tiempo, con lo que se

evitó abrir y cerrar de los matraces, asegurando el mantenimiento de las condiciones

anaeróbicas. Los ejemplos aquí presentados se hicieron con fermentaciones de 24

horas, pero las fermentaciones pueden ser estables hasta por 10 días, para el caso

que se tengan sesiones de laboratorio semanales.

Las papas y los camotes se adquirieron en mercados locales. La malanga se obtuvo

de la asociación Taro Gourmet. En todos los casos, los tubérculos sin cáscara se

cortaron en cubos de 3 cm3 aproximadamente y se licuaron (70 g en 100  mL de H2O).

Posteriormente y sin filtrarse, 100  mL del homogenizado se hidrolizaron agregando 25

mL de HCl 6N por 1 h a 90 °C. Después se ajustó el pH a 6.0 con NaOH y se procedió

a fermentar (Hoseinpour   et al ., 2010 ; Purohit y Mishra, 2012).

2.5. Producción de etanol de segunda generación a partir de hojas de caña y de papel

reciclado

Las hojas de una planta de caña de azúcar de 3 meses de edad se cortaron en

pequeñas tiras de aproximadamente 2 cm de ancho y se secaron durante 24 h a 70°C.

Después del secado, las tiras se pulverizaron en seco con una licuadora industrial

(Waring, EUA). Para sacarificar la hemicelulosa y liberar la celulosa, se probaron dos

tipos diferentes de hidrólisis: ácida y básica. Para realizar la hidrólisis ácida se pesaron

22 g de polvo de hojas y se agregaron 360  mL de H2SO4 (1.5% V/V) en un vaso de

precipitados. Para realizar la hidrólisis alcalina se pesaron 22 g de polvo de hojas y se

agregaron a 222  mL de NaOH (2% W/V) en un vaso de precipitados. Ambos

recipientes se colocaron en autoclave a 15 psi durante 1 h. Posteriormente, se dejaron

atemperar, se filtraron al vacío y se separaron los líquidos de los sólidos.

Los líquidos se llevaron a pH 6.0 con H2SO4 o NaOH y se fermentaron (Sección 2.2)

(Hernández-Salas,   et al ., 2009 ; Jutakanoke,   et al ., 2012 ). Los sólidos se filtraron a

través de una malla cielo y se lavaron dos veces con agua estéril para posteriormente

suspenderse en 360  mL de búffer de acetatos pH 5.0 (0.216 g/L de ácido acético,

0.871 g/L de acetato de sodio). Para lograr la sacarificación de la celulosa, al búffer se

le agregaron 4  mL de la preparación enzimática (xilanasa, celulasa y hemicelulasa)

comercial Viscozyme L (Sigma, EUA) y se incubaron a 50 °C por 24 horas en agitación

constante (100 rpm). Finalmente, se filtró al vacío y se realizaron las fermentaciones

con las siguientes modificaciones: se incubaron a 30 °C por 48 horas en agitación

constante (180 rpm) y se enriquecieron con medio mínimo (KH2PO4 1.0 g/L,

CaCl2 0.1 g/L, MgSO40.5 g/L, NaCl 0.1 g/L, peptona 5 g/L). La sacarificación de hojas

de papel se realizó de esta misma manera.

2.6. Cuidados y seguridad

Se debe tener cuidado con las soluciones concentradas de ácidos. Se recomienda que

si se desean implementar a nivel de bachillerato, sea el instructor el encargado de

pipetear y manejar el material de vidrio que estuvo en contacto con los ácidos. El

etanol destilado es altamente infiamable, por lo que las destilaciones deben ser

realizadas con mantas de calentamiento eléctricas.

Para demostrar la transformación de los carbohidratos en etanol y su uso como

combustible, el instructor puede quemar cuidadosamente el etanol producido por los

estudiantes en torundas o mechas para elevar un globo de plástico como se

demuestra en el siguiente enlace de YouTube (http://bit.ly/Qo64MO).

3. Resultados y discusión

Las demostraciones prácticas aquí reportadas se aplicaron para enseñar los

fundamentos y los retos de la producción de bioetanol durante cursos de bioquímica

en la licenciatura de Ingeniería Biotecnológica y en la Semana Nacional de Ciencia y

Tecnología para bachillerato. Sin embargo, creemos que la facilidad de estas prácticas

hace que sean también adecuadas para prácticas de secundaria.

3.1. Bioetanol a partir de jugos frutales y cinéticas de crecimiento

Con el uso de jugos frutales se demostró a los estudiantes una cinética de producción

de bioetanol, consumo de carbohidratos y aumento de biomasa. En la figura 3 se

observa una cinética obtenida por los estudiantes. En ella se puede observar la

relación inversa que hay entre la disminución de los carbohidratos solubles y el

aumento de la biomasa con la producción de etanol durante las primeras 24 h. Si la

fermentación se deja avanzar más de 24 h, se puede observar cómo, a pesar de que

todavía hay carbohidratos solubles, tanto el crecimiento de la levadura como la

producción de etanol se estacionan por efecto de inhibición del cultivo por etanol.

Figura 3. 

Demostración de la producción de bioetanol con jugo de uva y levadura del pan

(S. cerevisiae).

Se presenta una cinética de crecimiento de levadura (rombos grises), consumo

de carbohidratos (cuadros negros) y producción de bioetanol (círculos

abiertos). Las barras de error indican desviación estándar.Figure options

Los estudiantes pueden realizar fácilmente el muestreo pues las fermentaciones de

jugos son sencillas de hacer y no necesitan nutrientes extras. No obstante lo anterior,

permiten observar signos de actividad biológica como el burbujeo, el cambio de color

de la muestra y el olor del etanol. Durante este sencillo experimento, los estudiantes

pueden resolver las siguientes preguntas:

—

¿Cuál es el proceso de transformación que lleva a cabo la levadura (figura 1)?

—

¿Cuál es el biocatalizador en la fermentación (figura 2)?

—

¿Por qué se detuvo la fermentación cuando el etanol alcanzó el 7% de

concentración (inhibición por producto, figura 3)?

—

¿Cuál es el principio de separación del etanol en la destilación?

—

¿Qué se puede hacer con los residuos de la fermentación (abono, levadura)?

Los estudiantes pueden investigar la productividad en peso de los cultivos ensayados

y calcular rendimientos potenciales de cada uno de los jugos (tabla 1). De esta forma,

se observará que el rendimiento final no solo depende del proceso de producción de

bioetanol, sino también de la productividad de la materia prima en el campo. En este

contraste los estudiantes observan que el jugo de caña de azúcar es el que más

potencial tiene como fuente de materia prima para la obtención de bioetanol con un

rendimiento teórico de hasta tres toneladas de etanol por hectárea sembrada. En los

trópicos, los estudiantes pueden observar la potencialidad económica de sus regiones

(generalmente subdesarrolladas y con pocas perspectivas de crecimiento social) y

diseñar planes y estrategias para lograr una industrialización agrícola sustentable.

3.2. Bioetanol a partir de hidrolizados de almidones

Los almidones se utilizaron para mostrar el potencial de fuentes más complejas de

carbohidratos, así como la implementación de un pretratamiento químico para adecuar

una materia prima a la producción de bioetanol. La producción de bioetanol a partir de

tubérculos fue similar a la de jugos (tabla 1); sin embargo, al ser cultivos con menor

rendimiento en el campo, quedaron atrás de la caña de azúcar en rendimiento

potencial desde un 23% (papa), 40% (camote) y 90% (malanga) menos. Los

tubérculos utilizados son los que se producen tradicionalmente (camote y papa) y otro

de reciente introducción (malanga), es decir, unos con conocimiento agrícola fuerte y

buena productividad, contra otro con conocimiento incipiente y por ende baja

productividad.

En esta sección el estudiante aprende a realizar un método de sacarificación sencilla

(hidrólisis ácida) y discute las ventajas (conocimiento agrícola, líneas de

comercialización) y desventajas (aumento de precios, competición de mercados) de

utilizar almidones que también sean comestibles. Durante este experimento el

estudiante puede resolver las siguientes preguntas:

—

¿Qué es la sacarificación?

—

¿Puede haber un proceso donde haya una sacarificación enzimática de

almidón?

—

¿Puede haber problemas sociales si se usan fuentes de alimentos para

producir bioetanol?

—

¿Cómo se podría aumentar el área de cultivo de tubérculos sin afectar selvas o

bosques?

3.3. Bioetanol a partir de sacarificación de hojas de caña y residuos de papel

Las prácticas de las secciones anteriores son sencillas y baratas de realizar. Por el

contrario, las de esta sección son más laboriosas y requieren materiales como la

mezcla enzimática Viscozyme L ($115 USD por 100  mL, suficiente para 25

demostraciones). Por otra parte, también es la sección donde el estudiante aprenderá

los temas más avanzados de la producción de bioetanol como la sacarificación

enzimática, las preferencias metabólicas de los microorganismos y el uso de cultivos

no convencionales o residuos para la producción de bioetanol.

El estudiante observará que la levadura del pan no puede fermentar los hidrolizados

(ácido y básico) de hojas de caña a pesar de tener un contenido de carbohidratos

libres de hasta 12 g/L, muy similar al de un jugo de frutas. Lo anterior se debe a que

los hidrolizados están compuestos mayoritariamente de xilosa (Jutakanoke,   et al .,

2012), un carbohidrato de cinco carbonos que compone a la hemicelulosa y que no

puede ser metabolizado por S. cerevisiae ( figura 2). Se le puede enseñar al

estudiante que mediante métodos avanzados de biología molecular se están

incorporando en S. cerevisiae las rutas enzimáticas de otras levaduras que sí pueden

fermentar a la xilosa, ej. Pichia, para que pueda asimilar este carbohidrato tan

abundante ( Ha,   et al ., 2010 ).

A primera vista el estudiante observa que sacarificar y producir bioetanol a partir de la

celulosa es un trabajo laborioso y aparentemente de baja producción con solo un 15%

de lo que se produce del jugo de caña. Sin embargo, cuando se compara el cálculo de

rendimiento neto por hectárea (tabla 1), los estudiantes observan que es el proceso

que mayor potencial tiene de producción pues es un material que se quema en el

campo sin que su energía sea aprovechada. El estudiante podrá ver que al final del

proceso tendrá mucho residuo sólido que todavía puede sacarificarse, siempre y

cuando avance la investigación para aumentar la actividad de las enzimas celulolíticas,

para desarrollar métodos de cultivo de pastos, para fermentar la xilosa y para

aprovechar a otras fuentes residuales de celulosa, como los olotes del maíz, por

ejemplo.

Por otra parte, el empleo de fuentes alternativas a la caña de azúcar podría ser una

buena opción si se logra aumentar los rendimientos de estos nuevos cultivos (ej.

malanga), o si se asegura que los costos de producción de biomasa fermentable, así

como otros factores de importancia económica (ej. la eficiencia de uso de agua), sean

comparables a los de la caña de azúcar. El desarrollo de métodos más económicos y

eficientes para obtener bioetanol a partir de fuentes de carbono económicas y

accesibles será crucial para asegurar el éxito de las nuevas tecnologías de

producción.

Existe un proceso totalmente químico para lograr la sacarificación de celulosa; sin

embargo, es un proceso que no recomendamos intentar pues es muy peligroso para

realizar en el laboratorio de docencia ya que se utilizan cantidades abundantes de

ácidos y bases concentrados (Camacho,   et al ., 1996 ), además de que el líquido que se

obtiene no es susceptible a fermentación por la cantidad de sales producto de la

neutralización.

Durante este experimento el estudiante puede resolver las siguientes preguntas:

—

¿Cómo se podría emplear íntegramente a todas las fracciones de la materia

vegetal para producir bioetanol?

—

¿Qué estrategia se puede proponer para resolver los retos de la producción de

bioetanol de segunda generación?

—

¿Qué otros materiales celulósicos se pueden emplear para obtener bioetanol

(agave, pastos, olotes)?

—

¿Qué se puede hacer con los residuos de lignina del proceso (combustión,

electricidad)?

4. Conclusiones

Las prácticas anteriores conforman un tren metodológico que se puede usar como

investigación guiada con el fin de demostrar los conceptos, fundamentos, retos y

procesos de la producción de bioetanol. Se han propuesto prácticas de un nivel muy

sencillo, tales como las cinéticas de producción de bioetanol con jugos, hasta más

avanzadas como la sacarificación de celulosa. Se lograron realizar con materiales

baratos y estándar en laboratorios de docencia, así como con materias primas

regionales. Se demostró a los estudiantes que la caña de azúcar es el cultivo que tiene

mayor rendimiento de bioetanol y que también es el que mayor potencial tiene para ser

aumentado si se logra optimizar la sacarificación de su biomasa celulósica.

5. Agradecimientos

A la Asociación Taro Gourmet por la donación de la malanga. A los técnicos IBQ Luz

Quevedo, QFB Leticia Saldaña e IQ Juan Hernández por su asistencia. La

investigación de los autores es apoyada por los proyectos SEP-CONACyT (152643,

169619), SEP-PROMEP (103.5/11/6720) y Repatriación (146633).

6. References

1.

o Banco de Desarrollo de Brasil, 2008

o Banco de Desarrollo de Brasil

o Bioetanol de caña de azúcar: energía para el desarrollo sostenible, Río de Janeiro

(2008)

o

2.

o Camacho, 1996

o F. Camacho, P. González-Tello, E. Jurado, A. Robles

o Microcrystalline-Cellulose hydrolisis with concentrated sulphuric acid

o Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 67 (4) (1996), pp. 350–356

o View Record in Scopus

 | 

Full Text   via CrossRef

 | 

Citing articles (56)

3.

o Empresa de Pesquisa Energética, 2009

o Empresa de Pesquisa Energética

o Balanço energético nacional. Ministerio de Minas e Energia do Brasil, Río de

Janeiro (2009)

o

4.

o Epstein, 2010

o J.L. Epstein, M. Vieira, B. Aryal, N. Vera, M. Solis

o Developing biofuel in the teaching laboratory: ethanol from various sorces

o Journal of Chemical Education, 87 (7) (2010), pp. 708–710

o View Record in Scopus

 | 

Full Text   via CrossRef

 | 

Citing articles (4)

5.

o Gobierno Federal de México, 2010

o Gobierno Federal de México

o Estrategia Intersectorial de los Bioenergéticos

o (2010) México D.F

o

6.

o Ha, 2010

o S-J. Ha, J.M. Galazka, S.R. Kim, et al.

o Engineered Saccharomyces cerevisiae capable of simoultaneous cellobiose

and xylose fermentation

o Proceeding of the National Academy of Sciences, 108 (2010), pp. 504–509 2011

o View Record in Scopus

 | 

Citing articles (3)

7.

o Hernández-Salas, 2009

o J.M. Hernández-Salas, M.S. Villa-Ramírez, J.S. Veloz-Rendón, et al.

o Comparative hydrolisis and fermentation of sugarcane and agave bagasse

o Bioresource Technology, 100 (3) (2009), pp. 1238–1245

o Article

 | 

  PDF (165 K)

 | 

View Record in Scopus

 | 

Citing articles (60)

8.

o Hoseinpour, 2010

o H. Hoseinpour, K. Karimi, H. Zilouei, M.J. Taherzadeh

o Simultaneous pretreatment of lignocellulosic and hydrolisis of starch in

mixtures to sugars

o Bioresources, 5 (4) (2010), pp. 2457–2469

o View Record in Scopus

 | 

Citing articles (7)

9.

o Jutakanoke, 2012

o R. Jutakanoke, N. Leepipatpiboon, V. Tolieng, et al.

o Sugarcane leaves: pretreatment and ethanol fermentation

by Sacccharomyces cerevisae

o Biomass and Bioenergy, 39 (2012), pp. 283–289

o Article

 | 

  PDF (492 K)

 | 

View Record in Scopus

 | 

Citing articles (6)

10.

o Purohit, 2012

o S.R. Purohit, B.K. Mishra

o Simultaneous saccharification and fermentation of overnight soaked sweet

potato for ethyl alcohol fermentation

o Advance Journal of Food Science and Technology, 4 (2) (2012), pp. 56–59

o View Record in Scopus

 | 

Citing articles (2)

11.

o Secretaría de Energía, 2006

o Secretaría de Energía

o Potenciales y viabilidad del uso de bioetanol y biodiesel para el transporte en

México, D.F, México (2006)

o

12.

o United States Department of Energy, 2006

o United States Department of Energy

o Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol, USDE, Rockville (2006)

o

13.

o United States Energy Information Administration, 2012

o United States Energy Information Administration

o Mexico Energy Profile (2012) Consultado por última vez en enero de 2013 de la

URL: http://www.eia.gov/countries/cab.cfm?fps=MX

o

Correo electrónico:

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