De la biomasa lignocelulósica hacia el etanol

La obtención de etanol a partir de biomasa lignocelulósica tiene, al menos, cuatro etapas fundamentales: pretratamiento, sacarificación, fermentación y separación. La fermentación y la separación selectiva de etanol son comunes a los procesos que parten del almidón, pero obtener azúcares de la celulosa con buen rendimiento económico es un desafío bastante mayor que obtener azúcar de una patata.

 

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Planta de etanol y azúcar en Brasil. El principal residuo de la caña de azúcar es el bagazo. Fotografía: Mariordo.

 

En la biomasa vegetal podremos encontrar, fundamentalmente, α-celulosa, hemicelulosa, lignina, cenizas, sales y sílice.

La α-celulosa está constituida por monómeros de celobiosa unidos por enlaces β–glucosídicos. A su vez, la celobiosa es un disacárido que consta de dos moléculas de glucosa. La hemicelulosa, por otra parte, tiene una estructura más compleja, encontrando hexosas y pentosas sin un orden definido, además de múltiples ramificaciones. Su aprovechamiento para producir azúcares sencillos y fermentables, no obstante, es igualmente posible: arabinosas, xilosas, además de, también aquí glucosas. Si bien el producto principal de la sacarificación es una mezcla de celobiosa, glucosa, xilosa y, en menor medida, otros monosacáridos y disacáridos, también se da lugar a productos que son fruto de una hidrólisis incompleta: celotriosas, celotetrosas, etc.

Los demás componentes, lamentablemente, no resultan en azúcares fermentables.

El pretratamiento de la biomasa lignocelulósica se alza como una etapa importantísima y que, con razón, suscita muchísimo interés en la investigación. Los métodos seguidos deben separar o degradar los compuestos no deseados, pero sin degradar los carbohidratos a compuestos no fermentables o, peor aún, tóxicos para los microorganismos alcoholizantes. Y, además, deben llevarse bien con el medio ambiente: ¿qué sentido tendría fabricar etanol con un fin medioambiental, si en el proceso contaminas más que produciendo gasolina? Esto invalida opciones de tratamiento con compuestos de azufre o de cloro que generen mercaptanos o efluentes con compuestos halogenados. Algunas posibilidades son: agua muy caliente, ácidos muy diluidos, amoniaco concentrado, etanol, etc.

Se entiende por sacarificación el proceso consistente en obtener oligosacáridos a partir de polisacáridos, fundamentalmente la celulosa. En la obtención de bioetanol desde celulosa, la sacarificación es la etapa previa a la fermentación: su objetivo es obtener azúcares fermentables. La obtención de biocombustibles no es la única utilización posible de esos oligosacáridos: también pueden ser empleados en la preparación de disolventes, en fármacos y productos alimenticios, y en la manufactura de bioplásticos, como el ácido poliláctico.

 

Henri Braconnot, químico, farmacéutico y botánico francés. La sacarificación de materiales lignocelulósicos no fue su único descubrimiento.

El primer proceso conocido de sacarificación de celulosa data de 1819, y fue llevado a cabo por H. Braconnot. Desde entonces, se han propuesto y ensayado centenares de métodos de hidrólisis de celulosa, empleando toda clase de agentes: ácidos, álcalis, oxidantes, microorganismos, enzimas, catalizadores heterogéneos, etc. Sin embargo, muchos procesos que obtienen grandes resultados a escala de laboratorio, cuando se ensayan a escala industrial, dan lugar a rendimientos muy inferiores. Actualmente, hay dos clases de métodos que destacan por distinto motivo:

  • los tradicionales procesos de sacarificación con ácidos, con un recorrido y una vigencia de nada menos que 195 años, aún relevantes en la actualidad;
  • los más novedosos bioprocesos de sacarificación con enzimas y/o con microorganismos, que en los últimos años están centrando el interés de investigadores y productores de bioetanol.

Una vez hemos conseguido tener una gran cantidad de pequeños sacáridos, sobre todo glucosa, en el medio de reacción, entra en juego el mejor amigo del hombre. No, el mejor amigo del hombre no es el perro. Nuestros mejores amigos son los hongos (levaduras, concretamente) y las bacterias que, en su proceso metabólico, toman azúcares como sustrato y desprenden etanol. Por ejemplo, la levadura S. cerevisiae. Así ha sido desde que el hombre descubrió cómo hacer cerveza y distintos tipos de bebidas alcohólicas. En la actualidad, claro está, el alcohol etílico tiene más fines, y uno de ellos es proporcionar energía de forma mucho más limpia que un combustible fósil.

 

S. cerivisiae, a sus anchas en su medio de cultivo.

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Bioetanol. ¿De dónde?

El bioetanol es aquel etanol que:

  • se obtiene a partir de biomasa;
  • se emplea como combustible (no para bebida, limpieza, desinfección, colonia, excipiente de lociones, etc.).

La obtención de etanol a partir de biomasa requiere la fermentación de azúcares sencillos, fundamentalmente glucosa, que a su vez se puede obtener por hidrólisis del almidón, de la celulosa o, en el caso más sencillo, de la sacarosa en melazas y jugo de caña de azúcar. La hidrólisis de la sacarosa resulta en dos isómeros: glucosa y fructosa. La fermentación de los mismos con un microorganismo adecuado, como S. cerevisae, produce etanol y CO2.

Partiendo de polímeros, para obtener azúcares sencillos que serán fermentados a etanol, es necesario romper los enlaces que mantienen unidos los monómeros. Teóricamente, es decir, si el rendimiento es del 100%, se obtienen 111 g de glucosa por cada 100 g de polímero.

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Por qué los biocombustibles

Se entiende por biocombustible aquel combustible que es obtenido a partir de biomasa, principalmente partes de plantas, aceites vegetales, estiércol y residuos de agricultura. El uso de biocombustibles ha atraído el interés de investigadores, fabricantes de automóviles, compañías de refinería y/o energéticas, gobiernos, asociaciones ecologistas y organismos internacionales. La atención que reciben los biocombustibles tiene fundamentalmente cinco razones.

 

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Cultivo energético de colza en Bavenhousen, Alemania. Fotografía: Daniel Schwen.

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Las empresas más “verdes”

A la hora de abordar la transición hacia la sociedad sostenible del futuro, el papel de las grandes empresas es fundamental. Productores y consumidores, gobiernos de todo el mundo y, en definitiva, todos y cada uno de nosotros, tenemos algo que decir y que aportar. La revolución sostenible implica a todos.

Interbrand evalúa, entre otras cosas, los esfuerzos que las empresas destinan a mejorar su rendimiento ambiental (environmental performance). Hacer este tipo de clasificaciones es una idea excelente para que las empresas más “verdes” reciban crédito y reconocimiento por su contribución. Además, siempre es bueno ayudar a divulgar los logros ambientales de cualquier productor, de cualquier municipio o de cualquier nación.

 

ImagenToyota, el fabricante más verde. Fotografía: StaraBlazkova.

 

Las 15 primeras clasificadas son:

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Las naciones más “verdes”

Imagen destacada: fotografía de Andrew Bossi

La producción de energía y la manufactura de bienes en los países industrializados emiten ciertas sustancias a tasas superiores a su tasa de asimilación natural, y hacen uso de ciertos recursos indispensables, principalmente el agua dulce, a tasas superiores a las de su regeneración.

Para entender la responsabilidad que esto implica, dividamos el mundo en cuatro grupos de países.

El primer grupo es el de los países desarrollados: Alemania, Suecia, Francia, Estados Unidos, Eslovenia, Croacia, España, Chile, Emiratos Árabes Unidos, Noruega, Polonia, Reino Unido, Luxemburgo, Singapur, Japón, Corea del Sur, Australia, Nueva Zelanda, etc. Las emisiones netas de gases de efecto invernadero por parte de estos países está estabilizada, con ciertas fluctuaciones. En estos países, el cierre de empresas y el decrecimiento demográfico se traduce en reducciones de huella de carbono (caso de España, por ejemplo: 10,1 t CO2 a 8,5 t CO2 per cápita de 2007 a 2010). Las emisiones de contaminantes no-CO2 a la atmósfera, como óxidos de nitrógeno, tiende a reducirse en los países desarrollados. En cuanto a los residuos sólidos, cada vez se recicla y se valoriza más, optando por el abandono en vertedero como último recurso.

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Ciudades sin cielo

Lo peor de muchos problemas ambientales es que tardan en ser percibidos, o que, al no ser tan evidentes, no suscitan mucho la atención. Los problemas más flagrantes sí provocan la necesidad de tomar acciones, afortunadamente. La reina Isabel I de Inglaterra prohibió el uso de carbón cerca del palacio de Westminster. En 1661, John Evelyn propuso que se trasladaran las fábricas lejos de Londres, garantizando la limpieza del aire en la ciudad. Su estudio fue analizado por Carlos II. Napoleón decretó en 1810 que sería necesaria una autorización administrativa para emprender actividades industriales que emitiesen malos olores.

beijingkevindooleySmog en Beijing. Fotografía de Kevin Dooley.

El smog pertenece al grupo de fenómenos evidentes, junto a los malos olores, las aguas coloreadas y la lluvia ácida: se trata de un fenómeno muy claro a los sentidos. Sin embargo, se sigue dando en los últimos años en varias ciudades del mundo, debido, principalmente, al tráfico rodado, a las calefacciones y a los procesos de combustión en general.

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Blog de Roberto Aguado: novelista amateur, divulgador amateur, opinante amateur e ingeniero químico.