Monografia_XV Curso de Titulacion_Produccion de Bioetanol

“PRODUCCIÓN DE BIOETANOL”Por: Rómulo Aycachi Inga FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo” Lambayeque, 21 de marzo de 2009. “PRODUCCIÓN DE BIOETANOL” Presentado por : Rómulo Aycachi Inga Asesor : Dr. Carlos E. Villanueva Aguilar FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo” Lambayeque, 21 de marzo de 2009. 2 ÍNDICE 3 1. INTRODUCCIÓN:....................................................................................................................8 2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA:.................................................................................10 3. GENERALIDADES SOBRE EL BIOETANOL:...................................................................11 3.1 Qué es el Bioetanol................................................................................................ .......................11 3.2 Características del Bioetanol....................................................................................... ................11 3.3 Usos del Bioetanol.................................................................................................. ......................12 3.4 El Bioetanol como Biocombustible:....................................................................... .....................12 3.4.1 ¿Qué es un Biocombustible?.....................................................................................................................12 3.4.2 ¿Qué tipos de Biocombustibles existen?..................................................................................................13 3.4.3 Historia e importancia...............................................................................................................................14 3.4.4 Bioetanol como combustible vehicular.....................................................................................................15 3.4.4.1 Bioetanol como combustible único:..................................................................................................16 3.4.4.2 Mezcla directa de Bioetanol y gasolina:...........................................................................................16 3.4.4.3 El Bioetanol como aditivo de las gasolinas: ETBE..........................................................................17 3.4.4.4 Como aditivo que mejora la ignición de motores diesel:..................................................................18 3.4.5 Ventajas y desventajas...............................................................................................................................19 3.5 Barreras en el uso del Bioetanol:..................................................................... ...........................20 3.6 El Bioetanol y su impacto ambiental........................................................................................... 21 3.7 El Perú como productor de Biocombustibles:.................................................................... ........22 4. PRODUCCIÓN DE BIOETANOL:........................................................................................25 4.1 Proceso General:...................................................................................................... ....................25 4.1.1 Materias primas utilizadas........................................................................................................................26 4.1.1.1 Jugos azucarados:..............................................................................................................................28 4.1.1.2 Melazas “A”:.....................................................................................................................................30 4.1.1.3 Melazas “C”:.....................................................................................................................................30 4.1.1.4 Cereales:............................................................................................................................................32 4.1.1.5 Tubérculos:........................................................................................................................................34 4.1.1.6 Sustratos celulósicos:........................................................................................................................35 4.1.2 Microorganismos utilizados en la producción de Bioetanol.....................................................................37 4.1.2.1 Zymomonas mobilis..........................................................................................................................37 4.1.2.1.1 Historia y ecología:...................................................................................................................37 4.1.2.1.2 Aislamiento, identificación y cultivo:.......................................................................................38 4.1.2.1.3 Metabolismo:.............................................................................................................................39 4.1.2.1.4 Influencia del oxígeno e inhibición por el etanol:.....................................................................40 4.1.2.1.5 Aplicaciones industriales:..........................................................................................................41 4.1.2.2 Saccharomyces cerevisiae.................................................................................................................41 4.1.2.2.1 Características generales: .........................................................................................................42 4.1.2.2.2 Reproducción:...........................................................................................................................44 4.1.2.2.3 Metabolismo:.............................................................................................................................45 4.1.2.2.4 Requerimientos nutricionales....................................................................................................45 4.1.2.2.5 Requerimientos físico – químicos:............................................................................................46 4.1.2.2.6 Aplicaciones industriales:..........................................................................................................46 4.1.3 Bioquímica en la producción de Bioetanol...............................................................................................47 4.1.3.1 Generalidades:...................................................................................................................................47 4.1.3.2 Rutas bioquímicas utilizadas:............................................................................................................48 4.1.3.3 Balance energético en la fermentación alcohólica:...........................................................................51 4.1.3.4 Efecto Pasteur y efecto Crabtree:......................................................................................................53 4.2 Procesos de Producción Industrial de Bioetanol:...................................................................... .54 4.2.1 Bioetanol a partir de Maíz:.......................................................................................................................57 4.2.1.1 Acondicionamiento de la materia prima:..........................................................................................57 4.2.1.2 Conversión enzimática del almidón en azúcar:.................................................................................59 4.2.1.3 Fermentación:....................................................................................................................................60 4 5 DEDICATORIA: ¡Hoy tengo un sueño! Sueño que algún día los valles serán cumbres, y las colinas y montañas serán llanos, los sitios más escarpados serán nivelados y los torcidos serán enderezados, y la gloria de Dios será revelada, y se unirá todo el género humano. (Martin Luther King, 1963) Para Rosa Adilia, Gladys y Liz. 6 AGRADECIMIENTOS: A mis padres, Rómulo Emilio y Rosa Adilia, ya que gracias a su apoyo incondicional, su esfuerzo y aliento, han logrado que yo pueda cumplir mis metas. A mis hermanos, Luis Alberto y Sandra Juliana, que siempre me ayudaron de manera incondicional en los momentos más difíciles de mi vida. A mis incondicionales compañeras, Gladys y Liz, ya que supieron hacer más llevadera la soledad de mi vida y con su ahínco desinteresado me ayudaron a cumplir mis más preciados sueños. A Dios todo poderoso, ya que siempre me ha acompañado en este oscuro laberinto que es la vida, me ha dado fuerzas cuando más las necesitaba y ha permitido que cumpla todas mis metas y objetivos. A la Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo” en general y a todos los profesores de la Facultad de Ciencias Biológicas en particular, ya que gracias a sus enseñanzas y conocimientos compartidos han ayudado en gran medida a mi formación profesional. 7 1. INTRODUCCIÓN: De un tiempo a esta parte, el agotamiento progresivo de la energía fósil (llámese petróleo y sus derivados, gas natural y carbón mineral), ha generado una necesidad en continuo aumento de buscar nuevas fuentes de energía. Esto se debe en gran medida a que la población mundial va creciendo año a año, y por tanto, también hay un crecimiento per capita en la demanda energética. También, el crecimiento explosivo en la necesidad de energía por parte de las industrias (por un incremento dramático de la industrialización en muchos países en desarrollo) y el parque automotor mundial, han puesto en apuros a las reservas mundiales de combustibles fósiles, agravando la llamada crisis energética, ya que éstas dependen casi en su totalidad de las limitadas reservas naturales de éstos combustibles, sobre todo el petróleo, lo que ha generado en los últimos años un aumento exagerado en su precio por galón (de $ 1.80/barril en 1970 a $ 139,12/barril el 6 de junio de 2008) y por ende una peligrosa dependencia económica hacia los países productores de éstos (OPEP) (Smith, 2006; Camps et. al. 2002; Bu’lock y Kristiansen, 1991). Otro problema que acarrea el uso de los combustibles fósiles es la formación de los llamados “gases de efecto invernadero”, en estos casos el CO y el CO2 generados por la combustión propia de los motores de los automóviles y de las industrias que las utilizan. Esto ha generado que en la Conferencia de Kyoto (celebrada en 1997 y que entró en vigor el 16 de febrero de 2005) se llegue a un acuerdo para reducir las emisiones de estos gases (sobre todo del CO2) en el periodo 2008 – 2012 en un 5,2% respecto a los niveles de 1990 (García y García, 2006; Camps et. al. 2002; Martínez, 2008; Núñez y García, 2006). Las potencias mundiales han iniciado desde hace varios años la búsqueda de nuevas fuentes de energía (energía hídrica, energía eólica, energía solar y geotérmica, el estudio de las celdas de energía a base de hidrógeno, la energía nuclear), pero aún no han podido encontrar un sustituto ideal al petróleo y sus derivados (Camps et. al. 2002; García y García, 2006). Actualmente hay una creciente valoración por los sistemas de energía biológica, por ser, sobre todo, desarrollados de fuentes renovables y limpias para el ambiente en general, entre ellos destacan en gran medida los llamados Biocombustibles (Martínez, 2008; Núñez y García, 2006; Sánchez y Castro, 1997). Los “Biocombustibles” (también conocidos como Biocarburantes), se presentan como un gran candidato para solucionar el problema energético ya que se generan a partir de fuentes biológicas y renovables, lo que le da un gran potencial de desarrollo por ser una energía limpia y de obtención relativamente fácil, siendo por estos motivos la tecnología que más se ha desarrollo en los últimos años (García y García, 2006; Martínez, 2008). Dentro de los Biocombustibles encontramos dos tipos: el Biodiesel (desarrollado a partir de aceites vegetales) y el Bioetanol (desarrollado a partir de la fermentación alcohólica de azúcares). En el presente trabajo trataremos sobre los procesos de producción de este segundo tipo de Biocombustible. Una de las grandes ventajas que presenta el Bioetanol es que se puede utilizar para su producción casi cualquier tipo de biomasa (residuos de bosques, de la agricultura, domésticos e industriales), siempre y cuando sea propenso al proceso de fermentación. Esto hace que el Bioetanol adquiera una consideración económicamente más atractiva, ya que sus fuentes de materia prima son abundantes, renovables, y relativamente baratas y fáciles de conseguir. Actualmente países como Brasil y EE. UU. están apostando fuerte por la producción de este tipo de biocombustible. En el 2006 estos países produjeron juntos aproximadamente el 70% de la producción mundial de 8 Bioetanol y para el 2007 EE. UU. produjo 6,498.6 millones de galones seguido por Brasil, que produjo 5,019.2 millones (Wikipedia, 2008; Núñez y García, 2009; Camps et. al. 2002). Aún con todas las ventajas aparentes que presenta la producción de Bioetanol, en estos últimos años se ha generado una polémica sobre las desventajas y problemas que éstas pueden acarrear. Dentro de éstas, la que más se cierne sobre el futuro del Bioetanol es la del “problema alimentario”, ya que el uso de cultivos agrícolas como el maíz, el trigo, la cebada y otros cereales para la producción de Bioetanol ha generado un problema alimentario en ciernes, ya que hace que estos productos escaseen y por tanto se genere la subida de sus precios, y esto, por un efecto en cadena, hace que se incrementen los productos generados a base de ellos (pan, cereales y otros). Un caso similar sucede con la caña de azúcar. Todo esto ha generado una gran polémica sobre cual sería la materia prima ideal para la producción de este “Petróleo verde”. Por demás está decir que la materia prima a usar no debería entrar en competencia con las fuentes de alimento de la población, ya que los que más sufrirían con la subida y la escasez de estos alimentos básicos en post de una mayor producción de energía, serían los más pobres. Las materias primas a utilizar deberían ser materiales de desecho, por ejemplo los desechos industriales (melaza de caña, suero de leche) y los residuos celulósicos y lignolíticos (bagazo, pulpa, cortezas, paja, virutas y otros) provenientes de los desechos agrícolas y forestales respectivamente y hasta se podría aprovechar en último caso los residuos sólidos urbanos, siempre y cuando sean propensos a la fermentación (Núñez y García, 2006; Ochoa y Miranda, 2006; Wikipedia, 2008). Como se ve, muchas son las perspectivas y oportunidades con que cuenta el desarrollo de los Biocombustibles a nivel mundial. En el Perú, según informe de CONVEAGRO (al 16 de septiembre del 2008), existen los mismos problemas y las mismas expectativas planteados a nivel mundial. La costas de Lambayeque y La Libertad son potenciales productores a gran escala de Bioetanol a base de caña de azúcar (aprox. 40 mil Ha. disponibles), mientras que en la selva las regiones de Ucayali y San Martín tienen a disposición aprox. 120 mil Ha. para el mismo fin, lo que auguraría una prospera industria de producción de este Biocombustible para uso interno y hasta para exportación. 9 2. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA: El Bioetanol, que no es otra cosa que el etanol producido de manera biológica por la fermentación alcohólica de azúcares simples, es en la actualidad un fuerte candidato para sustituir a los combustibles fósiles, sobre todo el petróleo. Sus claras ventajas con respecto a los combustibles fósiles saltan a la luz: son energías limpias, renovables, presentan una combustión más completa y con menores residuos en general, tienen una amplia variedad de sustratos (agrícolas, lignolíticos, celulolíticos) y a la larga generarían una gran cantidad de puestos de trabajo en el campesinado. Además, en la actualidad es el Biocombustible con mayor producción mundial, siendo los líderes en este rubro EE. UU. (36% de la producción mundial), seguida de cerca por Brasil (33.3% de la producción mundial). Puede utilizarse puro (alcohol hidratado) o mezclado con gasolina hasta en un 20% (entonces recibe el nombre de gasohol), siendo su rendimiento igual al de la gasolina pura. Es mayor su importancia ecológica ya que ayudaría en gran medida a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero (CO y CO2) además de disminuir indirectamente las emisiones de gases que contienen plomo y azufre al ambiente. Con todo eso el Bioetanol se proyecta como el combustible del futuro, ya que cuenta con un favorable desarrollo en nuestro país. Existen aproximadamente 40 mil Ha. en la costa y 120 mil Ha. en la selva que podrían ser utilizadas en la producción de caña de azúcar, materia prima para la producción de Bioetanol, lo cual daría al Perú, una fuente energética propia, barata y renovable, que empujaría al progreso de nuestra nación. El desarrollo de la tecnología de los Biocombustibles (y en este caso del Bioetanol) busca, además de solucionar el problema energético actual, disminuir de manera sustancial la dependencia económica que tienen la mayoría de los países hacia los productores de petróleo (OPEP), ya que su producción a gran escala produciría de manera interna la energía necesaria para el desarrollo tanto industrial, automotriz y de uso social, lo cual liberaría gran parte de la economía destinada a la importación de energía, pudiendo ser ésta utilizada para otros fines. Además, generaría nuevos puestos de trabajo, tanto a lo largo de los centros de cultivo y las plantas de producción. La utilización de Bioetanol también produciría un gran impacto sobre el problema del cambio climático y el calentamiento global, ya que ésta es una fuente energética limpia y renovable, que ayudaría a reducir la emisión de los gases de efecto invernadero. La sustitución del Bioetanol por la gasolina es, en la actualidad, un problema económico antes que técnico. Para revertir esto, se busca la ayuda de la Biotecnología para desarrollar microorganismos mejorados genéticamente que puedan utilizar una variedad más amplia de sustratos. Esto nos ayudaría a revertir el efecto negativo que representa en la actualidad la producción de Bioetanol a base de productos agrícolas como el trigo, maíz, azúcar, que encarecen estas materias primas y las fuentes de alimentos de la población. La potencial utilización de diferentes tipos de sustratos, más baratos y más abundantes (paja, madera, hojas, virutas, papel) ayudarán en un futuro a abaratar los costos de producción y a difundir más su uso (Coello, 2008; Salinas y Santillana, 1992). 10 3. GENERALIDADES SOBRE EL BIOETANOL: 3.1 Qué es el Bioetanol. El Bioetanol es un alcohol elaborado a partir de fuentes biológicas y por tanto renovables, que sigue un mecanismo bioquímico similar al que se lleva a cabo en la producción de bebidas alcohólicas: Hidrólisis Fermentación Almidón Azúcar Etanol También se puede producir mediante la fermentación directa de productos azucarados: Enzimas C6H12O6 2CH3CH2OH(I) + 2CO2(g) + H2O(I) Químicamente se le conoce como etanol o alcohol etílico, siendo su fórmula química CH3CH2OH. Es un líquido incoloro e inflamable, con sabor a quemado y olor agradable. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica. Industrialmente es el principal producto de las bebidas alcohólicas (Cerveza, Vino, Brandy, Vodka) (Wikipedia, 2008; Parés y Juárez, 1997). El Bioetanol o etanol también se conocen por otros nombres, que pueden indicar la fuente de materia prima de la que procede o bien el propósito a que se le destina; p. ej. los alcoholes de grano son alcoholes de derivados de cereales como trigo, maíz o arroz. El término alcohol de grano se emplea, a veces, para indicar alcohol etílico en contraste con el alcohol metílico (CH3OH) o metanol, que se fabrica por destilación destructiva de la madera, por síntesis o por otros medios. El alcohol de melazas es alcohol producido de melazas de azúcar de caña. El alcohol industrial es alcohol etílico usado para fines industriales. En este término se incluye el alcohol empleado como carburante en mezcla con gasolina o cualquier otro combustible (Prescott, 1966). 3.2 Características del Bioetanol. El Bioetanol, como una sustancia química, presenta las sgtes. características: Punto de ebullición Punto de fusión Densidad Masa Temperatura crítica Acidez (pKa) Solubilidad en agua Densidad óptica (nD20) LD50 11 : : : : : : : : : 78,4º C -114,3º C 0,810 g/cm3 46,07 u 240º C 15,9 Miscible 1,361 7,060 mg/Kg (vía oral) Este alcohol es miscible (mezclable) con agua y con la mayor parte de los disolventes orgánicos. Las disoluciones alcohólicas de sustancias no volátiles se denominan tinturas. Si la disolución es volátil recibe el nombre de “espíritu”. Como producto biológico, el Bioetanol se caracteriza por provenir de una fuente biológica: biomasa, cultivos agrícolas (maíz, caña de azúcar, sorgo, etc.), desechos forestales; a partir de la fermentación alcohólica producida por diferentes microorganismos (Wikipedia, 2008; Parés y Juárez, 1997; Ricardo, 2008). 3.3 Usos del Bioetanol. El Bioetanol, además de usarse con fines culinarios (bebidas alcohólicas), también se utiliza ampliamente en muchos sectores industriales y en el sector farmacéutico, como principio activo o excipiente de algunos medicamentos y cosméticos (es el caso del alcohol antiséptico 70º GL y en la elaboración de ambientadores, perfumes, lacas, celuloides y explosivos). Es un buen disolvente, y puede utilizarse como anticongelante (en radiadores de automóviles). Debido a su bajo punto de congelación, ha sido utilizado como fluido en termómetros para medir las temperaturas inferiores al punto de congelación del mercurio (-40º C). También es usado en la obtención de derivados químicos: la oxidación del etanol produce etanal que a su vez se oxida a ácido etanoico. Al deshidratarse, el etanol forma dietiléter. Otros productos derivados del etanol son el butadieno, utilizado en la fabricación de caucho sintético, y el cloroetano, un anestésico local. El uso más importante dado actualmente al Bioetanol es como Biocombustible para uso tanto industrial como doméstico. Es utilizado en la industria automovilística mezclado con gasolina, dando lugar al alconafta, gasohol y otras mezclas que entre otras cosas busca bajar la necesidad hacia los derivados de petróleo. También se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 ó el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-terbutil éter (ETBE) (Ricardo, 2008; Wikipedia, 2008; García y García, 2006). 3.4 El Bioetanol como Biocombustible: 3.4.1 ¿Qué es un Biocombustible? Es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa, organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos (como el estiércol de la vaca, p. ej.). Se entiende entonces por Biocombustible aquel combustible de origen biológico que no se ha fosilizado. Si no se añadiera la frase “no se ha fosilizado”, el petróleo, los carbones minerales (hulla, ligninos, turba, antracitas) y el gas natural serían considerados como biocombustibles, ya que su origen también es biológico; pero han sido fosilizados hace cientos de miles de años. En última instancia, el origen de los Biocombustibles es la energía solar que es almacenada por algunos seres vivos en forma de 12 Biocombustible (Sánchez y Castro, 1997; Camps et. al. 2002; Wikipedia, 2008). 3.4.2 ¿Qué tipos de Biocombustibles existen? Existen diferentes tipos de Biocombustibles, esto atendiendo a varios criterios. De acuerdo a su origen los podemos clasificar en: Origen del Biocombustible Agrícolas Cultivos energéticos Forestales Restos de cultivos agrícolas Cultivos herbáceos Cultivos leñosos Especie o procedencia Cardo, sorgo, miscanto, girasol, soya, maíz, trigo, cebada, remolacha, especies C4 agrícolas Chopos, sauces, eucaliptos, robinias, acacias, especies C4 forestales Paja, restos de cereales y otras especies herbáceas Olivo, vid, frutales de hueso, frutales de pepita y otras especies leñosas Especies forestales de los montes Especies de madera nacional o importada utilizadas por estas industrias Especies de madera nacional o importada utilizadas por estas industrias Especies vegetales utilizadas en industria de la alimentación Animales de granja, domésticos Todo tipo de biomasas sólidas urbanas la Restos de tratamientos Podas, claras, selvícolas clareos, restos de cortas finales Industrias de primera transformación de la madera Restos de industrias forestales Industrias de segunda transformación de la madera Restos industriales agro-alimentarias Restos de explotaciones ganaderas Restos de actividades humanas De acuerdo a su aspecto físico los podemos clasificar en sólidos, líquidos y gaseosos, de la sgte. manera: Aspecto Físico Biocombustible Leñas y astillas Pajas de cereales y biomasa de cardo, miscanthus, etc. Biocombustibles sólidos densificados (pelets y briquetas) Carbón vegetal Líquido piroleñoso Líquido de hidrólisis Bioetanol y bioalcoholes Aditivos oxigenados Aceite vegetal 13 Sólidos Líquidos Gaseosos Metiléster Biogás de origen muy diverso Los Biocombustibles más usados y desarrollados en la actualidad son el Bioetanol y el Biodiesel; ya que estos pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Otras alternativas como son el Biopropanol y Biobutanol son menos populares, pero no pierde importancia la investigación en estas áreas debido al alto precio de los combustibles fósiles y su eventual término (Sánchez y Castro, 1997; Camps et. al. 2002, Smith, 2006). 3.4.3 Historia e importancia. La utilización de los alcoholes como combustible ha pasado por varias etapas a través de los años. Los alcoholes, tanto metanol como etanol, se mezclaron con gasolina desde las primeras décadas del siglo XX. Antes de la Segunda Guerra Mundial llegaron a circular cuatro millones de vehículos con mezclas de alcohol – gasolina. La adición de alcohol se realizaba con la finalidad de estabilizar los precios de los alcoholes. En los orígenes de la industria automovilística fue el principal combustible: los motores de ciclo Otto se diseñaron en principio para utilizarlo. Al finalizar la Guerra se desactivó el interés por el alcohol, además con el desarrollo de la industria basada en el petróleo los fabricantes de motores se decantaron por esta segunda opción. Cuando se temió por la estabilidad de estos mercados en los años 20 y el posterior embargo petrolífero del año 1973 (Crisis del Petróleo del ’73) se reactivó el interés y se volvió a invertir en el desarrollo del Bioetanol. El primer país que asumió este reto fue Brasil que a partir de ese año comenzó a mezclar etanol y gasolina en la proporción de 22:78, y se crea la Comisión Nacional de Alcohol. Por esos años se inicia en los Estados Unidos la preparación del gasohol (mezcla de gasolina + alcohol). En 1979 Brasil produjo los primeros automóviles que podían funcionar con alcohol hidratado (95% de etanol y 5% de agua), en motores de ciclo Otto. Más tarde, en 1980 la mayor parte de los automóviles fabricados estaban diseñados para funcionar exclusivamente con etanol. Para mediados de los años 80 se habían creado a nivel regional una serie de programas nacionales: Brasil, Argentina, Paraguay, tendientes a garantizar una evolución sostenida en la sustitución parcial de la gasolina. El más exitoso fue el Brasil donde para 1986 existían más de 2,5 millones de automóviles circulando con alcohol etílico hidratado. Hasta los años 80 la principal motivación para la producción de etanol fue su uso como combustible alternativo para la automoción, y así disminuir la dependencia de las importaciones de crudo y minimizar el impacto que las fluctuaciones del mercado ocasionan en los precios. A partir de mediados de los 80, a esta motivación se ha 14 unido las políticas de mejoras medioambientales, principalmente en lo relativo a emisiones gaseosas. El creciente interés que han generado en los últimos años los problemas derivados del cambio climático, producido por las emisiones de gases de “efecto invernadero”, ha hecho que se busquen combustibles más respetuosos con el medio ambiente. Al igual que en el caso del Biodiesel, la combustión del Bioetanol produce el mismo CO2 que absorbió la planta durante su crecimiento, si se exceptúa el emitido debido a la actividad energética necesaria en el proceso de su producción, por lo que algunos autores dicen que el balance es cero, en cuanto a las emisiones de CO2. El Perú no ha sido ajeno a los esfuerzos tendientes a introducir el empleo del Bioetanol como combustible. Así, Petroperú desde 1977 ha realizado estudios al respecto. En los años ’70 diversas Tesis en Universidades Nacionales abordaron diversos aspectos de esta problemática. En 1985 los diarios dieron cuenta del proyecto privado Central Neshuya S. A. para desarrollar en Pucallpa un complejo agro – industrial energético para la producción de gasohol a partir de la caña de azúcar. A mediados de los años ’80 diversas cooperativas azucareras y empresas privadas evaluaron la posibilidad del empleo de alcohol anhidro como combustible automotor. En 1985 se contempló, a nivel oficial, la posibilidad de implantar un Programa Nacional de Alcohol Carburante en el Perú. En 1992 una cooperativa del norte del Perú estaba completando la instalación de una destilería para producir alcohol etílico anhidro (Bioetanol). Con la sola excepción de la destilería en el norte, ninguna de las propuestas llegó a plasmarse y la caída de los precios del petróleo, a finales de los ’80 desactivó nuevamente el interés por el alcohol combustible (Salinas y Santillana, 1992; Sánchez y Castro, 1997; Ochoa y Miranda, 2006; García y García, 2006). 3.4.4 Bioetanol como combustible vehicular. Históricamente, el primer vehículo que se diseñó para el uso de etanol fue una variante del Modelo T de Henry Ford, que estaba pensado para ser utilizado en las granjas, de forma que sus propios dueños pudieran producir el alcohol a partir de la fermentación del maíz. Posteriormente se desarrolló el Modelo A, que también podía usar tanto etanol como gasolina. Las primeras empresas automovilísticas en adaptar los motores de sus autos para el uso de alcohol como combustible fueron la Volkswagen, Fiat, Ford y General Motors. El primer automóvil en funcionar con un combustible 100% alcohol fue el Fiat 147 en 1978 (Wikipedia, 2008; García y García, 2006; Salinas y Santillana, 1992). Actualmente, para que los vehículos de explosión puedan funcionar con Bioetanol es necesaria una serie de modificaciones, que incluyen el depósito, las conducciones de combustible, los inyectores, el sistema informático de gestión del motor y el sistema anti-sifón. En los últimos años se han desarrollado una serie de vehículos capaces de funcionar tanto con gasolina como con etanol o una mezcla de ambos; éstos son los llamados Flexible Fuel Vehicles (FFV) o 15 vehículos “Flex”. Estos automóviles disponen de un sensor que detecta la relación etanol/gasolina y en función de la mezcla ajustan la carburación del motor. La utilización del etanol modifica la mezcla de aire y combustible tratando de mantener la potencia y el consumo del automóvil en un valor óptimo (García y García, 2006). El resurgimiento del Bioetanol como combustible se produjo en mayo de 2003, cuando la Volkswagen montó una línea de producción para automóviles de combustible flexible, resultando en el Gol 1.6 "Total Flex". Dos meses después la Chevrolet ofreció en el mercado el Corsa 1.8 "Flexpower", utilizando un motor desarrollado en consorcio con la Fiat llamado "PowerTrain". Para 2005, los fabricantes que producen vehículos "flex" incluyen las automotrices Chevrolet, Fiat, Ford, Peugeot, Renault ,Volkswagen, Honda, Mitsubishi, Toyota y Citröen (Cortés, 2008). 3.4.4.1 Bioetanol como combustible único: El etanol, como combustible único, es utilizado principalmente en Brasil y Argentina. Su uso con temperaturas inferiores a 15ºC pude dar lugar a problemas de encendido, para que esto no ocurra el método más común de solucionarlo es añadirle una pequeña parte de gasolina. La mezcla que se usa más ampliamente es el E85 que está compuesto de un 85% de etanol y un 15% de gasolina. Desafortunadamente el etanol contiene menos energía por litro que las gasolinas, con lo que su rendimiento es menor, pudiendo llegar hasta un 30% menos, principalmente en modelos antiguos, cuando se utiliza el E85. Saab produce el modelo 95 turboalimentado que asegura una mayor economía que los motores de gasolina, utilizando una mayor relación de compresión, ofreciendo rendimientos semejantes a sus equivalentes con combustibles convencionales. El etanol tiene un octanaje mucho mayor que la gasolina – entorno a 110- lo que hace que no se queme de forma tan eficiente en los motores convencionales. El uso continuado de combustibles con una alta proporción de etanol, como el E85, produce corrosiones en el metal y en las piezas de goma (García y García, 2006; Salinas y Santillana, 1992; Camps et. al. 2002). 3.4.4.2 Mezcla directa de Bioetanol y gasolina: Los motores de encendido pueden funcionar con mezclas de hasta el 25% de alcohol deshidratado sin que sean necesarias modificaciones en el motor. No obstante su rendimiento varía respecto al combustible convencional. Estas son algunas de las diferencias: - Reducción de la potencia y el par motor (aproximadamente un 2% para mezclas al 15%) - Aumento del consumo (4% para mezclas del 15%) - Aumento de la corrosión de las partes metálicas y componentes de caucho. 16 Sin embargo, si se ajusta el motor aumentando la relación de compresión, y adaptando la carburación a la nueva relación estequiométrica, se consigue una mayor potencia y par motor (9% con una mezcla del 20% de alcohol), mejora el rendimiento térmico y reduce el consumo (7% con respecto a lo que se obtendría solo con gasolina) y una combustión más perfecta, con menor índice de carbonización y emisión de gases contaminantes (reducción de CO y HC a medida que aumenta el porcentaje de alcohol en la mezcla). Brasil es el país que más ha experimentado con la mezcla de alcohol y gasolina, aumentado su proporción hasta un valor del 25%, como se ve en la siguiente progresión: - 1977 4.5% - 1979 15% - 1981 20% - 1985 22% - 1998 25% - Desde el año 2002 entre el 20 y el 25% Otros países que utilizan estas mezclas son Nicaragua, EE.UU., Colombia, Argentina, Australia e India, por poner algunos ejemplos. Sin embargo, el límite máximo de etanol en Europa está limitado por la especificación del contenido en oxígeno de 2.7%, que supone limitar el uso del etanol al 7.8%. No se proporciona ninguna excepción para la mezcla de etanol por encima del 7.8%. En algunos países europeos se utiliza normalmente una mezcla del 5% de etanol (García y García, 2006; Wikipedia, 2008; Camps et. al. 2002; Vásquez y Dacosta, 2006; Smith, 2006). 3.4.4.3 El Bioetanol como aditivo de las gasolinas: ETBE Otra alternativa para el uso del bioetanol como combustibles es transformarlo para su utilización en aditivo de la gasolina, en lugar de cómo su sustituto. Con la introducción de las gasolinas sin plomo, necesarias por el uso de catalizadores para la disminución de las emisiones nocivas, se vio afectado el número de octano de la gasolina. Para recuperar el octanaje y reducir las emisiones contaminantes se añadieron aditivos oxigenantes tales como el metanol, etanol, terbutil alcohol (TBA) o el metil-terbutil éter (MTBE). En los últimos años el etil-terbutil éter (ETBE) se está imponiendo sobre los otros aditivos por ser sus emisiones de hidrocarburos menos tóxicas, debido a que el acetaldehído es mucho menos tóxico que el formaldehído, además de poderse obtener a partir de recursos renovables en lugar del petróleo, como el MTBE. Además, el ETBE es mucho menos soluble en agua que el MTEB, lo que disminuye la posibilidad de contaminar las aguas. 17 El ETBE presenta dos grandes ventajas sobre el Bioetanol: su menor afinidad con el agua y una presión de vapor más adecuada que el alcohol, además de no requerir modificaciones en los motores actuales. Por estas razones su uso se está imponiendo en Europa, prevaleciendo sobre la mezcla con la gasolina. En España, por ejemplo, todo el Bioetanol dedicado a la automoción es convertido a ETBE. El ETBE se obtiene por reacción catalítica de isobuteno y etanol, en una proporción de 1:0,8, resultando un compuesto con unas cualidades superiores al MTBE y los alcoholes. A continuación se relacionan algunas de sus ventajas: - Baja solubilidad en el agua, menor que el MTBE. - Menor contenido de oxígeno (15,7%) que el MTBE (18,2%), por lo que no se necesita modificar el carburador. - Menor RVP (Reid vapor presure) (0,27 bar) que el MTBE (0,54 bar) y el etanol (1,22 bar). - Reducción en la emisión de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos inquemados. - Menor poder corrosivo que los alcoholes. - Mayor poder calorífico. - Mayor resistencia a la “separación de fase” que el MTBE. - Mayor rendimiento de fabricación que el MTBE, a partir de isobuteno. El ETBE es un buen sustituto del MTBE, que se puede producir en las plantas donde actualmente se produce el MTBE. En España y en Francia se está usando en mezclas de hasta un 15% del volumen de gasolina (ETBE15). Además el MTBE es un producto nocivo y que está comenzando a prohibirse en algunas zonas, como puede ser el caso del Estado de California, en EE.UU. (García y García, 2006; Vásquez y Dacosta, 2006; Salinas y Santillana, 1992). Comparación de la gasolina con el ETBE* Características Densidad (Kg/L) Volatilidad (tensión de vapor en bares) Índice de octano MON RON PCI en volumen (KJ/L) PCI en masa (KJ/Kg) Gasolina “súper” 0,720 a 0,770 0,7 a 0,8 85 95 32.020 42.908 ETBE 0,740 0,3 99/104 117/119 26.640 36.000 *Obtenido de Camps et. al. 2002. 3.4.4.4 Como aditivo que mejora la ignición de motores diesel: La mezcla etanol-diesel, mejor conocido como E-diesel, contiene hasta un 15% de etanol. Comparado con el diesel normal, el E-Diesel (nombre comercial utilizado para este producto) reduce perceptiblemente las emisiones de partículas y otros contaminantes y mejora las características del arranque en frío. Se encuentra actualmente en la etapa de desarrollo y no se 18 comercializa actualmente. ABRD (Abengoa Bioenergy R&D) está trabajando para eliminar las principales barreras técnicas y reguladoras para su comercialización. Estas barreras incluyen: - Bajo punto de inflamación y volatilidad en el tanque. - Posible inestabilidad de la micro-emulsión que evite que el etanol y el diesel se separen a bajas temperaturas. - Carencia de los datos de pruebas reales para obtener la garantía del fabricante (OEM). - Un proceso costoso y largo para conseguir su registro, de acuerdo con las normas sobre emisiones y la salud. El uso de E-diesel amplía aún más el mercado para las aplicaciones del etanol (García y García, 2006). 3.4.5 Ventajas y desventajas. Biocombustibles* Ventajas No incrementa los niveles de CO2 en la atmósfera, con lo que se reduce el peligro del efecto invernadero. Proporciona una fuente de energía reciclable y, por lo tanto, inagotable. Revitalizan las economías rurales, y generan empleo al favorecer la puesta en marcha de un nuevo sector en el ámbito agrícola. Se podrían reducir los excedentes agrícolas que se han registrado en las últimas décadas. Se mejora el aprovechamiento de tierras con poco valor agrícola y que, en ocasiones, se abandonan por la escasa rentabilidad de los cultivos tradicionales. Se mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales. Desventajas El costo de producción de los Biocombustibles casi dobla al del de la gasolina o gasóleo (sin aplicar impuestos). Por ello, no son competitivos sin ayudas públicas. Se necesitan grandes espacios de cultivo, dado que el total de la plantación sólo se consigue un 7% de combustible. Por ejemplo, en España habría que cultivar un tercio de todo el territorio para abastecer sólo su demanda interna de combustible. Potenciación de monocultivos intensivos, con el consiguiente uso de pesticidas y herbicidas. El combustible precisa de una transformación previa compleja. Además, en los bioalcoholes, la destilación provoca, respecto a la gasolina o al gasóleo, una mayor emisión en CO2. Su uso se limita a un tipo de motor de bajo rendimiento y poca potencia. - - - - - - *Adaptado de Núñez y García, 2006. Alcoholes* Ventajas Mejores prestaciones globales. Incremento del par y valor 19 Desventajas Mayor consumo, debido al menor poder calorífico. 3.5 energético por unidad de volumen de mezcla. Combustión más completa, y menores residuos en general. Aumentaría el número de puestos de trabajo en el campo. Mejor distribución de la riqueza. - Emisión de aldehídos, y posible contenido en ácido sulfúrico. Problemas de almacenamiento, sobre todo con el metanol. *Adaptado de Camps et. al. 2002 y Smith, 2006. Barreras en el uso del Bioetanol: Las dos principales barreras pasa su uso son las siguientes: • Afinidad con el agua: Los sistemas de transporte y almacenamiento deben estar totalmente libres de agua. Incluso pequeñas cantidades de agua en las mezclas etanol-gasolina pueden producir su separación en dos fases, lo que reduce el rendimiento del motor. El etanol puede actuar como un disolvente que facilita la incorporación de agua a las mezclas de etanol-gasolina. El agua se puede almacenar en pequeñas cavidades de los sistemas con hidrocarburos, tales como cañerías, depósitos o sistemas de alimentación. Esta agua, a menudo, contiene impurezas que normalmente no ocasionan problemas debido a que no se mezcla con los combustibles y se pueden drenar periódicamente. La mezcla de gasolina con etanol puede arrastrar esta agua e incorporarlo al combustible. Debido a los problemas con el agua, se prefiere no transportar estas mezclas por tuberías, usando en su lugar camiones para llevar el Bioetanol hasta los puntos de distribución, principalmente en EE.UU. Presión de vapor: Aunque el Bioetanol tiene una relativamente baja presión de vapor, cuando se utiliza como aditivo de la gasolina su presión de vapor efectiva es muy alta, llegando a un valor RVP (Reid Vapor Presure) de 18 psi (124 KPa), lo cual representa una desventaja para su uso. Cuando el Bioetanol se añade a una gasolina formulada adecuadamente, los hidrocarburos con bajo punto de ebullición, como butanos o incluso pentanos, deben ser reducidos para cumplir con las especificaciones de presión de vapor. Valores bajos de presión de vapor reducen las emisiones debidas a la evaporación, en los procesos de llenado de los tanques y almacenamiento del combustible. Debido a estos beneficios ambientales es de esperar que las especificaciones de este parámetro sigan manteniéndose bajas. En algunos casos, para cumplir especificaciones, es necesario eliminar también el pentano. Esto supone un encarecimiento del proceso de producción de mezclas de etanol y gasolina, por lo que las compañías consideran impracticable reducir más la presión de vapor (García y García, 2006). • 20 3.6 El Bioetanol y su impacto ambiental. El uso de Biocombustibles como el Bioetanol tiene impactos ambientales negativos y positivos. Los impactos negativos hacen que, a pesar de ser una energía renovable, no sea considerado por muchos expertos como una energía no contaminante y, en consecuencia, tampoco una energía verde. Una de las causas es que, pese a que en las primeras producciones de Biocombustibles sólo se utilizaban los restos de otras actividades agrícolas, con su generalización y fomento en los países desarrollados, muchos países subdesarrollados, especialmente del sureste asiático, están destruyendo sus espacios naturales, incluyendo selvas y bosques, para crear plantaciones para Biocombustibles. La consecuencia de esto es justo la contraria de lo que se desea conseguir con los Biocombustibles: los bosques y selvas limpian más el aire de lo que lo hacen los cultivos que se ponen en su lugar. Algunas fuentes afirman que el balance neto de emisiones de dióxido de carbono (CO2) por el uso de Biocombustibles es nulo debido a que la planta, mediante fotosíntesis, captura durante su crecimiento el CO2 que será emitido en la combustión del Biocombustible. Sin embargo, muchas operaciones realizadas para la producción de Biocombustibles, como el uso de maquinaria agrícola, la fertilización o el transporte de productos y materias primas, actualmente utilizan combustibles fósiles y, en consecuencia, el balance neto de emisiones de CO2 es positivo. Otras de las causas del impacto ambiental son las debidas a la utilización de fertilizantes y agua necesarios para los cultivos; el transporte de la biomasa; el procesado del combustible y la distribución del Biocombustible hasta el consumidor. Varios tipos de fertilizantes tienden a degradar los suelos al acidificarlos. El consumo de agua para el cultivo supone disminuir los volúmenes de las reservas y los caudales de los cauces de agua dulce. Algunos procesos de producción de Biocombustible son más eficientes que otros en cuanto al consumo de recursos y a la contaminación ambiental. Por ejemplo, el cultivo de la caña de azúcar requiere el uso de menos fertilizantes que el cultivo del maíz, por lo que el ciclo de vida del Bioetanol de caña de azúcar supone una mayor reducción de emisiones de gases de efecto invernadero respecto al ciclo de vida de combustibles fósiles con más efectividad que el ciclo del Bioetanol derivado del maíz. Sin embargo, aplicando las técnicas agrícolas y las estrategias de procesamiento apropiadas, los Biocombustibles pueden ofrecer ahorros en las emisiones de al menos el 50% comparando con combustibles fósiles como el gasóleo o la gasolina. El uso de Biocombustibles de origen vegetal produce menos emisiones nocivas de azufre por unidad de energía que el uso de productos derivados del petróleo. Debido al uso de fertilizantes 21 nitrogenados, en determinadas condiciones el uso de Biocombustibles de origen vegetal puede producir más emisiones de óxidos de nitrógeno que el uso de productos derivados del petróleo. Una solución real pero aún no disponible es la utilización de residuos agroindustriales ricos en hemicelulosas. De esta forma no se utilizarían áreas de cultivos nuevas ni utilización de alimento para la producción de Biocombustibles. Un ejemplo de esto es la utilización de coseta de remolacha, paja de trigo, coronta de maíz ó cortezas de árboles. La hidrólisis de estos compuestos es más compleja que la utilización de almidón para la obtención de azúcares libres fermentables, por lo tanto, requiere de una mayor cantidad de energía inicial para procesar los compuestos antes de la fermentación, sin embargo, el costo de producción es casi nulo al considerar que se trata de residuos. La única tecnología eficiente y limpia es la utilización de enzimas hemicelulolíticas. Existen tres puntos claves que se deben solucionar o perfeccionar antes de aplicar esta tecnología: (1) Se deben encontrar enzimas más estables y eficientes, (2) Métodos menos destructivos de inmovilización de enzimas para su utilización industrial y (3) Microorganismos capaces de fermentar eficientemente monosacáridos derivados de las hemicelulosas (xilosa y arabinosa principalmente) (Sánchez y Castro, 1997; Martínez, 2008; Wikipedia, 2008; Coello, 2008; Camps et. al. 2002, García, et. al. 1993). Impactos ambientales del Bioetanol y ciclo del carbono 3.7 El Perú como productor de Biocombustibles: Ante los precios del petróleo en aumento y el debate de cómo disminuir las emisiones de carbono para mitigar el calentamiento global, los 22 Biocombustibles están siendo promovidos como una alternativa limpia y renovable. El Perú no es ajeno a estos esfuerzos, ya que tanto el estado como el sector privado están haciendo todo lo posible para investigar e informar sobre todo lo concerniente a este tema. En un esfuerzo del gobierno por normar este tema, el 2007 se aprobó la reglamentación que establece una mezcla obligatoria del 2% de Biodiesel con Diesel 2 para el 2009 y del 5% para el 2011. Además se estableció una mezcla obligatoria del 7,8% de etanol en gasolina a partir del año 2011. La naciente industria de los Biocombustibles en el Perú ha despertado el interés de varios inversionistas y capitales privados; pero el desarrollo de los mismo es en sí un tema complejo ya que implica tanto factores económicos, agrícolas, energéticos, productivos, sociales y ambientales. Las áreas disponibles en el Perú para la siembra de cultivos energéticos son de aprox. 470 mil ha: 50 mil ha para Bioetanol en la costa, 100 mil ha para Biodiesel en la sierra, y en la selva 200 mil ha para Biodiesel de palma aceitera y 120 ha para etanol de caña de azúcar. Estos espacios están empezando a ser utilizados, p. ej. para el 2008 se había anunciado la siembra de 50 mil ha de canola para Biocombustibles, desarrollado por el programa Sierra Exportadora. Con todo esto, existen diferentes dificultades que impiden un amplio desarrollo de las tecnologías que permitirían su implementación y de políticas que las regulen. Esto se debe a los miedos que puedan traer los posibles impactos negativos que pueda conllevar su utilización. Entre estos, los riesgos para la seguridad alimentaria nacional por la subida de precio de los alimentos. El Banco Mundial indica que el 75% del incremento de los precios de los alimentos ha sido causado por la producción de Biocombustibles. Esto también afecta al Perú; en cuanto a la producción de Biodiesel, la vulnerabilidad es baja ya que el aceite usado para su producción (el de palma) es poco usado para consumo humano, siendo el Perú dependiente del aceite de soya importado para satisfacer las necesidades de grasas comestibles. En cuanto a la producción de Bioetanol, el uso de la caña de azúcar como materia prima sí sería un problema ya que es una fuente importante de energía alimentaria aquí y en toda la región latinoamericana, por tanto, todos los países de la región son vulnerables a incremento de precios o disminución de la disponibilidad del azúcar. Otro de los problemas de la caña de azúcar en la costa es que utiliza una gran cantidad de agua y ese es un recurso escaso de la zona. Existen proyectos para producir Biodiesel en la costa a partir de Jatropha (piñón blanco), pero el problema se centra en que entraría en competencia con tierras de cultivo para otros alimentos y el agua para riego. Otro problema que se cierne sobre la producción de Biocombustibles en el Perú es referente a la amenaza sobre la Biodiversidad. En la selva los cultivos energéticos ejercen una presión sobre los bosques y la biodiversidad. La selva cuenta con más de 60 millones de ha de bosques primarios de los cuales 10 millones ya han sido deforestados y de éstos, el 80% están abandonados. El desarrollo de cultivos energéticos en la selva debe apuntar al uso de esas hectáreas de bosques abandonados para no destruir más bosques primarios. Casos similares de deforestación y 23 atentados contra la biodiversidad a favor de la producción de Biocombustibles se han visto en Malasia, Indonesia, Colombia y Brasil. En el Perú, el negocio de los Biocombustibles recién comienza y hay una gran incertidumbre respecto a los impactos que esta industria pueda tener en el país; además hay una gran desinformación respecto al tema, sobre todo en el público general, lo que genera una polarización de ideas. Para cumplir con la demanda interna de Biocombustibles y cumplir con el cronograma de mezclas para el 2009 y 2011, en lo que respecta a Bioetanol, el Perú no requiere más de 10 mil ha de tierras de cultivo; y en cuanto a Biodiesel, se necesitaría alrededor de 80 mil ha, pero hasta el momento hay menos de 20 mil ha sembradas, entonces para cumplir con la demanda se necesitaría “exportar” la materia prima, pero el Ministerio de Energía y Minas está en contra de esta posibilidad y espera que para el 2009 ya esté disponible esta cantidad de cultivo para Biodiesel. El Perú tiene para el 2011 el objetivo de dividir su matriz energética en 3 fuentes: petróleo (33%), gas natural (34%) y energías renovables (33%). Para cumplir con lo referente a las “energías renovables”, el estado está entregando conseciones de tierras en los bosques amazónicos y en la costa para promover la producción de caña de azúcar, pero no para satisfacer el mercado nacional. El Perú no requiere, en términos cuantitativos un incremento significativo en la producción de Biocombustibles, porque su matriz energética está más apuntada al tema del gas natural y no tanto al tema de los Biocombustibles, por lo que la producción de éstos está ahora más centrado a la exportación y mientras el precio del petróleo siga incrementándose, este rubro aparecerá como una interesante fuente de ganancias. En el marco de la implementación del tratado de libre comercio con los Estados Unidos, se creó el Ministerio del Ambiente y su ministro, el prestigioso ecólogo Antonio Brack, ha establecido tres condiciones para la producción de Biocombustibles en el Perú: - Que no se talen bosques primarios. - Que no se utilicen tierras para la producción de alimentos. - Que se utilice riego tecnificado. Entonces, en el Perú, la producción de Biocombustibles debe apuntar a resolver los siguientes problemas: la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, al desarrollo rural, al abastecimiento energético; además de desarrollar ganancias por exportaciones (Dammer y Monteferri, 2008; Coello, 2008). 24 4. PRODUCCIÓN DE BIOETANOL: 4.1 Proceso General: Actualmente el Bioetanol es sinónimo de energía. Es el alcohol etílico o etanol, un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares presentes en los productos vegetales tales como cereales, remolacha, caña de azúcar o biomasa. De manera general, el proceso de obtención de Bioetanol se realiza cuando los azúcares contenidos en la biomasa se transforman en etanol por acción de determinados microorganismos, en un medio con pH entre 4 y 5. El esquema de la reacción para la producción de Bioetanol es el siguiente: C6H12O6 2C2H5OH + H2O + CO2 Hay que señalar que la transformación no se consigue únicamente con una sola reacción, como la indicada arriba, sino que, muy por el contrario, se producen un mayor número de ellas. La realidad es que habitualmente la biomasa que se utiliza es estos procesos contiene hidratos de carbono complejos, como el almidón o celulosa, siendo necesarios conseguir otros más simples, como azúcares, que son los que fermentan para dar etanol. ETAPAS DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL BIOETANOL Hidratos de carbono (complejos) Hidrólisis Azúcares Fermentación Destilación ácida o enzimática (Etanol + Agua) + CO2 Etanol Agua Como se muestra en la figura de arriba, la glucosa u otros azúcares simples se obtienen por medio de reacciones catalizadas con ácidos o enzimas, a partir de los hidratos de carbono complejos presentes en la biomasa. A continuación por medio de reacciones controladas por microorganismos, se obtiene etanol y dióxido de carbono (CO2). Estas reacciones se producen en medio acuoso y en un estrecho margen de temperaturas, favoreciendo el desarrollo de los microorganismos responsables de la fermentación. El etanol es una sustancia muy soluble en agua por lo que es necesario recurrir a un proceso de destilación para conseguir separarlo. 25 Dependiendo del tipo y composición de la biomasa, previo al proceso de hidrólisis, será necesario someterla a algún tratamiento que facilite la fermentación. Normalmente, el que necesita es una reducción del tamaño de las partículas, con el objetivo de disponer de una mayor superficie expuesta al proceso de fermentación. Como ya se ha mencionado, los microorganismos que controlan la fermentación de los azúcares necesitan unas condiciones de operación muy determinadas, entre ellas destacan: - Temperatura: entre 27 y 32 ºC - pH: entre 4 y 5 - Concentración de azúcares: inferior a 22% en peso - Concentración de etanol: inferior a 14 – 16% en peso El proceso de fermentación tiene una duración media entre 2 a 3 días (en la actualidad se esta desarrollando modos de reducir dicho proceso por medio de la biotecnología). Hay que señalar que, por la solubilidad del etanol en agua, no es posible lograr en la destilación etanol puro, sino que la proporción habitual es del 95 al 96%. Para conseguir aumentar el grado de pureza es necesario recurrir a una nueva destilación con otro disolvente como el benceno o gasolina. El moderno destilador se enfrenta con tres problemas principales: (1) el consumo de energía, (2) la eficiencia en la conversión y (3) la polución de los efluentes. Todos ellos están interrelacionados, comenzando por la naturaleza de la materia prima utilizada y terminando por un ambiente benigno. Sin embargo, dentro de todas las actividades implicadas, el proceso de fermentación en sí es todavía la etapa crucial que establece los parámetros y requerimientos operativos para el conjunto de la destilería (Sánchez y Castro, 1997; Byong, 2000; Bu’lock y Kristiansen, 1991). 4.1.1 Materias primas utilizadas. Para la producción de Bioetanol de manera industrial se utilizan tres familias de materias primas principalmente: - Azúcares: procedentes de la caña de azúcar, remolacha azucarera y sorgo dulce p. ej. - Cereales: mediante la fermentación de los azúcares del almidón (trigo, maíz, cebada, yuca). - Biomasa: por fermentación de los azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa (desechos agrícolas y forestales). También es posible usar centeno y alcohol vínico, pero no han prosperado por su gran valor en la industria alimenticia (García y García, 2006; Camps et. al. 2002; Byong, 2000). Las cosechas para energía más fácilmente utilizables también pueden ser agrupadas en cinco categorías básicas: - Subproductos del procesamiento de las cosechas de azúcar (melazas, sorgo dulce, jarabes, líquidos sulfíticos agotados). - Cosechas de azúcar (caña de azúcar, remolacha, sorgo). - Cereales (maíz, trigo, arroz, etc.). - Tubérculos (yuca, papa, etc.). 26 - Otras fuentes diversas (polisacáridos residuales de la extracción del aceite de nueces, etc.). Menos fácilmente utilizables en el momento actual son los materiales celulósicos que pueden ser clasificados de la sgte. forma: - Productos forestales directos (eucaliptos, pinos, etc.). - Residuos celulósicos (aserrín, cortezas, paja, virutas, papel usado, etc.). Los materiales lignocelulósicos son los que ofrecen un mayor potencial para la producción de Bioetanol. Una gran parte de los materiales con alto contenido en celulosa, susceptibles a ser utilizados para estos fines, se generan como residuos en los procesos productivos de los sectores agrícola, forestal e industrial. Los residuos agrícolas proceden de los cultivos leñosos y herbáceos y, entre otros, hay que destacar los producidos en los cultivos de cereal. Por su parte, los residuos de origen forestal proceden de los tratamientos silvícola y de mejora o mantenimiento de los montes y masas forestales. 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 (Bu’lock y Kristiansen, 1991; García y García, 2006). De todas las posibles fuentes indicadas anteriormente, los problemas de su disponibilidad real, la estructura de los precios y el desarrollo tecnológico del procesamiento reducen la selección en términos de viabilidad económica a un número muy pequeño. Aunque algunas cosechas, como la de caña de azúcar, están siendo convertidas actualmente en Bioetanol, las empresas que lo desarrollan dependen todas de la intervención estratégica de los gobiernos. Dentro de una economía de libre mercado, los sustratos pueden ser reducidos a tres materiales básicos: melazas, maíz y yuca. Es crucial una elección de la materia prima a utilizar, ya que constituye el cerca del 55 al 75% del precio de venta del alcohol producido. Principales materias primas para la producción de Bioetanol para uso como combustible Con almidón Granos de cereal: Maíz Granos de sorgo Trigo Cebada Productos molidos: Celulósicos Madera Aserrín Desechos de papel Residuos forestales Residuos de la agricultura Desechos sólidos 27 Con azúcar Sacarosa y azúcar invertido de sorgo Melaza Azúcar de remolacha Forraje de remolacha Caña de azúcar Lactosa Otros Alcachofa de Jerusalén Pasas Bananas Harina de trigo Trigo molido Maíz molido Raíces de almidón: Yuca Papa municipales Desechos de producción de la ganadería intensiva Suero de leche Glucosa Desechos de sulfito *Adaptado de Smith, 2006 Todas las materias primas prácticas requieren un pretratamiento para hacerlas adecuadas para la fermentación y en el pasado se prestó una insuficiente atención a producir un sustrato tan ideal como fuera posible dentro de sus limitaciones físicas de su composición original. Para sacar ventaja de las técnicas de fermentación que ofrecen una conversión eficiente en el tratamiento de los efluentes de destilerías, el sustrato líquido debería poseer las sgtes. condiciones: - La concentración de azúcares fermentables debería estar correctamente ajustada para ser adecuada a un método particular de fermentación y para asegurar que los azúcares residuales después de la fermentación sean mantenidos a un nivel mínimo. - El sustrato debería clarificarse, a un pH y a una temperatura óptimos y debería contener los nutrientes adecuados para la levadura. - Los microorganismos diferentes de los del inóculo principal deberían ser eliminados por pasteurización, tratamiento con antibióticos o antisépticos, o esterilización; el grado y método de eliminación dependería del sistema de fermentación empleado. - Las sustancias tóxicas para las levaduras deberían eliminarse o ser reducidas hasta un nivel aceptable. - Los efectos adversos de la presión osmótica deberían mantenerse dentro de los límites aceptables (Camps et. al. 2002; Byong; 2000, Bu’lok y Kristiansen, 1991). 4.1.1.1 Jugos azucarados: Los jugos azucarados, sean de caña (que se sitúa particularmente alta en eficiencia de fotosíntesis por hectárea), de remolacha o de tallos de sorgo dulce son productos agrícolas interesantes ya que proporcionan inmediatamente un suministro de sustratos fácilmente fermentables, aunque esto también puede tener sus inconvenientes. Después de la cosecha los azúcares están sometidos a la natural deterioración por las enzimas y las bacterias. Solamente después que el zumo se ha evaporado hasta la obtención de un jarabe, es posible mantener una materia prima para su procesamiento durante un periodo largo de tiempo. 28 Con la trituración tradicional de la caña de azúcar o los métodos de difusión de la remolacha, se necesita la adición de “agua de absorción” para la extracción eficiente. Generalmente la caña producirá entonces su propio peso de jugo mezclado, que contiene típicamente 12,5% w/v de azúcares fermentables expresados como monosacáridos-hexosas, de forma que sin evaporación, el nivel máximo de etanol después de la fermentación es solamente de 6% w/v. Las condiciones de fermentación establecen el diseño y los parámetros de operación del conjunto de la destilería y existe poca flexibilidad. Una destilería convencional de caña de azúcar que produce 60 a 70 litros de etanol por tonelada de caña es necesariamente una instalación sencilla, basada en métodos tradicionales, que utiliza grandes cantidades de vapor para la recuperación del etanol, gran número de vasijas fermentadoras y que libera un gran volumen de efluente contaminante. En la fabricación del azúcar, los líquidos azucarados crudos se clarifican antes de su evaporación hasta un jarabe concentrado para su subsiguiente cristalización y la recuperación del azúcar. Normalmente se añade cal, elevando el pH del jugo desde 5,0 - 5,7 hasta 7,0 o superior. El tratamiento por calor con coagulación elimina la fibra y los coloides en suspensión. Elevando el pH, se detiene la inversión de la sacarosa durante el proceso posterior. Las impurezas en el jugo de azúcar que pasan la clarificación, junto con las sales cálcicas, permanecen como residuo en las melazas finales. Para la producción de alcohol por fermentación, sin embargo, el proceso de adición de cal es una etapa negativa, ya que: - Las condiciones de pH óptimo para la fermentación son de 4,5 a 5,0, más cercanas a las del pH del jugo original. - Las sales cálcicas originarán una severa incrustación en los cambiadores de calor y en el equipo de destilación. - La adición de cal elimina los compuestos de nitrógeno y los fosfatos del jugo, que son nutrientes para la levadura. - La inversión de la sacarosa es beneficiosa. En consecuencia, para la producción de alcohol, en Brasil se ha convertido en práctica estándar mantener el sistema normal de limpieza mediante filtros y sedimentación, pero utilizando jugo crudo frío y sin cal. El jugo limpio es todavía relativamente turbio, conteniendo coloides y pequeñas partículas fibrosas que retienen fuertemente a las bacterias y tienden a causar obstrucciones en las boquillas de las centrífugas de las levaduras cuando éstas son utilizadas. Composición de la raíz de remolacha* 29 *Análisis en base húmeda Composición de la caña de azúcar 4.1.1.2 Melazas “A”: La manufactura de azúcar se produce por tres etapas en las que los azúcares “A”, “B” y “C” se cristalizan y recuperan dejando unas melazas finales “C” de las que la mayor parte de la sacarosa ha sido cristalizada. Muchos tecnólogos de azúcar han propuesto el concepto de producción doble, de azúcar “A” y de etanol, para compartir la volatilidad de los precios del azúcar, ya que el precio del etanol es relativamente estable en el mercado y puede solamente mejorar. Las melazas “A” son un sustrato ideal para la fermentación cuando se emplean los métodos convencionales de clarificación del jugo azucarado. Tiene una alta pureza en sacarosa y con aproximadamente 85% de contenido en sólidos deberían producir 385 litros de etanol por tonelada (permitiendo un nivel razonable de pérdidas). Su estabilidad durante el almacenamiento reduce las pérdidas anuales del coste de las destilerías, en tanto que pueden ser aplicados los métodos más eficientes de procesamiento en la fermentación, la destilación y el tratamiento de los efluentes. 4.1.1.3 Melazas “C”: Pese a la producción real de melazas que se destinan a la producción de azúcar cristalino, haciendo de esta forma su suministro limitado, este sustrato es extensamente utilizado tanto para obtener alcohol industrial como de consumo, particularmente cuando su utilización como piensos compuestos para animales está restringida por los costes del transporte. Si las melazas “C” se utilizan para la producción de alcohol, la relación global azúcar:alcohol es aproximadamente 12:1; las melazas “C” son el pienso básico en aquellos países con una industria azucarera importante y sin mercado organizado de alimentación animal. Tales melazas contienen normalmente un alto contenido bacteriano debido a las condiciones poco higiénicas de manejo y almacenamiento. Los constituyentes fermentables, expresados como azúcar invertido, están generalmente en las cercanías de 30 50-55%. Los residuos no fermentables se concentran en las melazas y causan problemas en las operaciones de la destilería; en particular el calcio suspendido y las sales inorgánicas, los coloides, fibras, gomas, ácidos orgánicos y los residuos de tierra. Por consiguiente, para diluir para conseguir un sustrato adecuado para la fermentación, los sólidos en suspensión deberían ser eliminados hasta un nivel razonable y el crecimiento de las bacterias debería reducirse. Componentes Sacarosa Otros azúcares reductores Otra materia orgánica Cenizas inorgánicas Sólidos totales Sólidos en suspensión Peso % 35.0 19.0 14.0 12.0 80.0 8.0% v/v Los métodos más comunes de pretratamiento utilizan la clarificación ácida caliente, con dosis de sulfúrico concentrado de aproximadamente 0,5% por peso cuando la pasteurización se acompaña de precipitación y posterior separación con hidrociclón o centrifugación. Puesto que será necesario acidificar las melazas substrato diluidas para la fermentación, la adición de ácido en el pretratamiento no influye substancialmente en los costes globales. La separación de sólidos se lleva a cabo a 70-95 ºC siendo la mayoría del sedimento la sal cálcica, CaSO4 2H2O, cuya solubilidad decrece por encima de 38 ºC. Durante el tratamiento térmico, tiene lugar una hidrólisis ácida; la fermentabilidad de algunos sustratos mejora y ciertos ácidos orgánicos volátiles, anhídrido sulfuroso y otros compuestos nocivos pueden ser eliminados en los gases de salida. Las pérdidas de azúcar se mantienen al mínimo por lavado de los lodos decantados incorporando las aguas de la dilución primaria. Básicamente el pretratamiento de las melazas es precursor de una fermentación eficiente mediante una técnica particular y no puede ser justificado económicamente en sí mismo. Composición de la melaza de caña de azúcar* Componentes Constituyentes Materia seca Proteínas Sacarosa Azúcares reductores Sustancias disueltas (diferentes azúcares) Agua Grasas Cenizas Contenido (p/p) 78% 3% 60 – 63% p/p 3 – 5% p/p 4 – 8% p/p 16% 0,40% 9% Componente mayores 31 Calcio Magnesio Contenido de minerales Fósforo Potasio Glicina Leucina Contenido de aa. Lisina Treonina Valina Colina Niacina Ácido pantoténico Contenido de vitaminas Piridoxina Riboflavina Tiamina *Adaptado de Fajardo y Sarmiento, 2007. 0,74% 0,35% 0,08% 3,67% 0,10% 0,01% 0,01% 0,06% 0,02% 600 ppm 48,86 ppm 42,90 ppm 44 ppm 4,40 ppm 0,88 ppm 4.1.1.4 Cereales: En base a peso seco el maíz, el sorgo y otros granos contienen alrededor de 60-75% w/w de almidón hidrolizable a hexosas con un significativo aumento de peso (estequiométricamente la relación de almidón a hexosas es de 9:10) y constituyen una fuente de alto rendimiento en etanol. La mayor parte de los almidones de cereales contienen una mezcla de α-amilosa (20-30%) y amilopeptina (70-80%). La primera es un polímero lineal soluble en agua, mientras que la segunda es un polímero ramificado insoluble en agua. La sacarificación de la amilasa es mucho más rápida que la de la amilopeptina, pero puesto que la amilopeptina predomina, la conversión global de azúcares fermentables está gobernada por una segunda degradación. Originalmente los cereales fueron hidrolizados por catálisis ácida. Las conversiones eran incompletas y el requerimiento de altas temperaturas durante un extenso periodo de tiempo conducía a la formación de productos laterales indeseados. Los problemas de viscosidad entorpecían el proceso; frecuentemente la pasta calentada contenía también “dextrinas límite”, que requieren un tiempo largo de fermentación para su catabolismo por las levaduras. Los almidones gelatinizados eran propensos a “retrogradación” al enfriarse, cuando las moléculas de almidón se reagregaban formando pequeños cristales insolubles, acompañado de aumento en la viscosidad de la papilla. Hoy, la mayor parte de los procesos de conversión utilizan una fase de calentamiento, ayudada por la adición de enzimas para la conversión completa. A veces se practica la hidrólisis ácida seguida por la conversión enzimática pero la tendencia presente es apoyarse directamente en la hidrólisis enzimática que se lleva a cabo en dos etapas. 32 Cuando la sacarificación no es completa antes de la fermentación, el tiempo de residencia durante la fermentación se extenderá hasta alcanzar concentraciones finales razonables de etanol; las fermentaciones en las que están presentes las “dextrinas límite”, requerirán varios días hasta estar completadas. En condiciones diluidas para adaptarse a los niveles de fermentación, el volumen de las vasijas se convierte en un factor importante de los costes. Cuando el etanol se pueda separar a medida que se forma, la rápida velocidad de fermentación puede ser mantenida continuamente, con una mejora correspondiente en la cinética de la sacarificación enzimática. Cuando se elimina el etanol y el reciclaje del sustrato consumido puede ser llevado a cabo sin destrucción térmica de la glucoamilasa, puede llegar a producirse una alta concentración de enzima para la misma dosis enzimática. Análisis del grano de maíz para producción de Bioetanol Composición del grano de trigo (promedio) Composición del grano de sorgo 33 4.1.1.5 Tubérculos: La cosecha de raíces de las zonas templadas tiene poca o ninguna aplicación en la producción de alcohol industrial a causa de su mayor valor de usos, bien establecidos, como alimento. Sin embargo, este no es caso con la cosecha de las raíces de la yuca (también conocida como mandioca) que es ampliamente cultivada en la mayor parte de las zonas tropicales. Puesto que es fácil de crecer, resistente a pestes y a sequías, y puede aclimatarse a suelos pobre de nutrientes fertilizantes, proporciona un alimento básico pero con un contenido de proteína muy bajo. Los intentos de incrementar su valor nutritivo han tenido poco éxito y continúa siendo una cosecha problemática, particularmente con variedades amargas que contienen cianógenos lo que requiere su inmersión inicial en agua para que sea comestible. Sin embargo, comparada con la caña de azúcar, la yuca tiene un potencial de producir hasta 2 ½ veces la cantidad de alcohol por tonelada de cosecha recogida y es mucho más barata de crecer. De nuevo esto debe ser equilibrado frente a dos factores principales adversos. La producción de las cosechas tradicionales por área cosechada es baja y se necesitan fuentes de energía exógena para su procesamiento. Sin embargo, se han desarrollado rápidamente mejoras agrícolas en la producción de la yuca desde un nivel de agricultura de pueblo y existen actualmente variedades que producen cosechas de 30-40 toneladas/ha con adecuadas porciones leñosas por encima del suelo para atender a las necesidades de energía. El almidón de yuca es diferente del almidón de cereal. Aunque el contenido de amilasa es similar, entre el 17 y el 30%, las amilopeptinas tienen una longitud de cadena mucho más corta que la encontrada en los cereales, lo que simplifica la preparación de las pastas y la degradación enzimática. Típica composición de tubérculos Componentes del tubérculo Humedad Almidón Azúcares totales Extraíble con éter Otros Fibra Ceniza Total Azúcares reductores = 0.7% disponibles 34 W% 61.3 30.5 2.6 0.13 1.7 3.0 0.77 100.00 = 1.06% = 575 p.p.m. (en base a peso seco) La pulpa usada es normalmente menor que el residuo de la hidrólisis de los granos y su reducido contenido en proteína le da menos valor como pienso animal. En empresas para la producción de Bioetanol a gran escala, estos residuos serán de mayor utilidad prensados hasta un grado de humedad razonable, y utilizados como combustible sólido, similar al bagazo. Para aumentar el radio de operación y superar las variaciones estacionales de suministro, la desecación al aire, en los trópicos, de las raíces tuberosas durante dos días, reduce su humedad hasta un 15% manteniendo alrededor del 70% de sustancias fermentables. Las rodajas o la harina pueden ser almacenadas con una vida media estable, requieren menos volumen de almacenamiento junto con manejo más fácil y teniendo una pérdida de humedad de alrededor del 55% tienen unos costes de transporte reducidos. Proteína cruda (N x 6,25) HCN Composición química de las raíces de yuca, % peso (tres cultivares) 4.1.1.6 Sustratos celulósicos: La fuente potencial más abundante de azúcares utilizables es la celulosa, obtenida directamente como productos forestales o indirectamente como residuos tales como paja, restos de maíz, bagazo o papel usado. Concebiblemente los océanos podrían producir vastas cantidades de celulosa como algas marinas. Sin embargo, la celulosa es difícil de hidrolizar y siempre está acompañada de hemicelulosa y lignina. Esto hace la recuperación de los hidrolizados de la celulosa más difícil y plantea problemas adicionales en diseñar su propia explotación económica. La hidrólisis ácida de la celulosa a azúcares fermentables es técnica posible y fue utilizada ampliamente en economías controladas por el Estado en tiempos de guerra. Actualmente se realizan muchas investigaciones y parece probable el desarrollo con éxito de uno o más procesos que combinen un pretratamiento económico con la hidrólisis rápida y la recuperación eficiente de los azúcares utilizables. El desarrollo con éxito de formas puramente enzimáticas para la hidrólisis de 35 la celulosa parece más problemático, pero existe un considerable interés, unido a la posibilidad de la conversión directa de la celulosa adecuadamente pretratada a etanol u otros compuestos volátiles de fermentación, utilizando cultivos mixtos seleccionados de bacterias celulolíticas y fermentadoras, tales como especies de Clostridium, algunas de las cuales, para mayor utilidad son termófilas. Sin embargo, ninguno de estos progresos ha producido todavía impacto en la producción práctica de Bioetanol (Masera et. al. 2006; Bu’lok y Kristiansen, 1991). Composición química del bagazo de caña Composición de la paja de trigo Cantidad de etanol obtenible a partir de algunos productos agrícolas primarios y secundarios* L de etanol/T Producto L etanol/ha Biomasa (T/ha) de producto1 Caña de azúcar 70 3 500 9 Melaza 270 Yuca 180 2 100 7 Sorgo azucarero 85 3 000 5 (grano) Camote 125 1 900 Maíz (grano) 370 2 400 3 Remolacha azucarera 3 000 6 2 Madera 160 3 200 Papa (tubérculo) 80 5 000 5 (parte aérea) 250 1 400 Residuos de poda 300 700 – 1 200 * Adaptado de Camps et. al. 2002 y Byong, 2000 36 4.1.2 Microorganismos utilizados en la producción de Bioetanol. Entre los microorganismos utilizados para la producción de etanol, por medios fermentativos, tenemos a los siguientes: Bacterias Zymomonas mobilis Clostridium acetobutilycum Klebsiella oxytoca Escherichia coli Levaduras Saccharomyces cerevisiae Pichia stipitis Pachysolen tannophilus Candida shehate Otras especies capaces de producir fermentación alcohólica son las levaduras del género Torulopsis y ciertas especies Mucor y algunas bacterias, sin embargo, la más importante es la Saccharomyces. También se ha reportado como productores de etanol a S. ellipsoideus, S. anamensisi, C. seudotropicalis, S. carlsbergensis, Kluyveromyces marxianus, C. bytyrii, entre otros. Microorganismos utilizados para la producción de Bioetanol de acuerdo al sustrato utilizado* Maltosa (almidón) S. cerevisiae Trigo S. cerevisiae Maíz S. cerevisiae Yuca S. cerevisiae Inulina Kluyveromyces marxianicus Pataca Toluropsis colliculosa Sin sub-productos S. cerevisiae, S. diasticus, K. cicerisporas Sorgo Zymomonas mobilis Adaptado de Byong, 2000. 4.1.2.1 Zymomonas mobilis En el mundo occidental, las bebidas alcohólicas se elaboran utilizando las levaduras, principalmente del género Saccharomyces. En las zonas tropicales de América, África y Asia se producen bebidas alcohólicas a base muy populares a partir de jugos de frutas fermentadas por mezclas de microorganismos en las que interviene una bacteria del género Zymomonas. La principal característica de esta bacteria es la de utilizar la vía de Entner-Doudoroff en anaerobiosis para degradar la glucosa. El rendimiento muy elevado de conversión de la glucosa en etanol por esta bacteria hace de ella una potencial candidata para una producción industrial de etanol por fermentación. 4.1.2.1.1 Historia y ecología: Fue aislado por primera vez en Europa tras problemas de fabricación. Aunque fue referido ya desde 1912 por Barrer y Hiller, como un microorganismo responsable de 37 - - - - la turbidez y modificación del aroma y sabor en la sidra; fue en 1937 cuando Shimwell lo aisló por primera vez de la cerveza. Actualmente Zymomonas es considerado un contaminante serio en la industria cervecera, pues son favorecidos por la anaerobiosis y la presencia de azúcares simples. En la cerveza provoca turbidez importante y un olor a manzana que podría ser debido a la presencia de acetaldehído e hidrógeno sulfurado. En 1928, Lindner descubrió que la fermentación del Hidromiel que conducía a la bebida alcohólica “pulque” era provocada por una bacteria a la que el denominó Thermobacterium mobile, la que más tarde sería conocida como Z. mobilis Subsp. mobilis. Este investigador sugirió que esta bacteria intervenía únicamente en las regiones tropicales. En 1941, Roelofsen fu el primero en aislar Z. mobilis a partir del vino de palma. Aquí se puede apreciar que está bien adaptada a un medio en el cual existen cantidades importantes de sacarosa, glucosa, fructosa, aminoácidos y factores de crecimiento. Zymomonas también a sido aislado a partir de jugos de caña de azúcar fermentada y a partir de miel envejeciendo y ocasionalmente a partir de frutas. 4.1.2.1.2 Aislamiento, identificación y cultivo: Zymomonas presenta forma de bacilar de 2 a 6 µm de longitud y 1 a 1,4 µm de ancho. Se disponen generalmente en pares. Son móviles, ya que presentan de 1 a 4 flagelos, aunque esta movilidad puede ser perdida espontáneamente. No forman cápsulas ni esporas. Son catalasa positiva y oxidasa e indol negativos. No reducen los nitratos, el rojo neutro ni el tween 60 u 80. Presenta un pH óptimo de 7,3. Las colonias en medio estándar son brillantes, blancas o cremas y miden alrededor de 2 mm de diámetro tras 2 días de incubación a 30 ºC. Presentan borde regular y es perceptible un olor frutado cuya intensidad depende de la cepa. Crece en medios con glucosa y fructosa y fermenta estos dos azúcares. Produce al menos un mol y medio de etanol por mol de glúcido fermentado y también forma pequeñas cantidades de ácido láctico y trazas de acetilmetilcarbinol. También pueden crecer en medios que contengan 2% (p/v) de extracto de levadura y 20% (p/v) de glucosa o en 38 - - - un medio estándar a un pH entre 4,1 – 5,2 si éste contiene 5% (v/v) de etanol o rojo neutro (0,1% p/v). El pantoteno y la biotina son indispensables para el crecimiento celular. En aerobiosis hay poco o ningún crecimiento en medio sólido estándar y hay ausencia de crecimiento en agar nutritivo. El crecimiento de las células es sensible frente a discos que llevan 500 µg de sulfafurazol ó 30 µg de novobiocina ó 10 µg de ácido fusídico. Z. mobilis observado por microscopia electrónica Z. mobilis en agar LMDA 4.1.2.1.3 Metabolismo: - Zymomonas sólo fermenta la glucosa, la fructosa y la sacarosa, por tanto presenta la particularidad de no asimilar prácticamente ninguna otra fuente de carbono, aunque se ha reportado que pueden metabolizar la rafinosa. - Para la fermentación de la glucosa utilizan la vía de Entner – Doudoroff. - La fermentación de estas dos hexosas se acompaña de una producción de gas importante y de una acidificación del medio. - La mayoría de las cepas produce entre 1 y 1,6 moles de etanol por mol de glucosa o de fructosa metabolizado. - Por cada mol de sustrato consumido, se producen se producen dos moles de NADH, éstas se producen a nivel de la etanol deshidrogenasa y una parte menor a nivel de la lactato deshidrogenasa. - El rendimiento de ATP es de uno por un mol de hexosa degradada. - Zymomonas no posee sistema de transporte como la fosfoenol piruvato, glucosa fosfotransferasa, ni sistema de permeasa, sino más bien un sistema por difusión facilitada. 39 - Presentan un sistema de transporte para la glucosa y fructosa que se asocia a una velocidad de difusión elevada y una afinidad baja, esto la limita a vivir en un hábitat limitado a entornos con altas concentraciones de azúcar. Vía lineal de Entner-Doudoroff en Z. mobilis. Abreviaturas: frk, frustocinasa; pgi, glucosa-6- fosfato isomerasa; glk, glucocinasa; zwf, glucosa-6-fosfato deshidrogenasa; pl., 6-fosfogluconolactonasa; pdc, piruvato descarboxilasa; adhA, alcohol deshidrogenasa I, adhB, alcohol deshidrogenasa II. 4.1.2.1.4 Influencia del oxígeno e inhibición por el etanol: - Con respecto a la inhibición por oxígeno, se ha demostrado que Z. mobilis no es una bacteria estrictamente aerobia. La aireación disminuye el rendimiento en etanol y la concentración en ácido láctico, aumenta la velocidad de consumo específico de glucosa y la producción de ácido acético. La inhibición es más importante sobre la productividad de etanol que sobre el crecimiento celular. El efecto Pasteur está ausente y el rendimiento Yx/s no aumenta en condiciones de aerobiosis. - Con respecto a la inhibición por etanol, Z. mobilis presenta probablemente la tolerancia más elevada al etanol. Es capaz de producir etanol con concentraciones 40 superiores a 13% (p/v). Esto en parte es debido a sus enzimas glucocinasa y fructocinasa no están sometidas a una inhibición por etanol, además presenta modificaciones a nivel de su membrana celular y presenta una adaptación a altas concentraciones de etanol. Esto se traduce en una disminución de la relación lípido/proteína y en una modificación de la composición en fosfolípidos, o sea, la excepcional resistencia al etanol de esta bacteria sería debido a que practica un cierto rearreglo a nivel de membrana, del contenido de fosfolípidos hopanoides y proteínas (Leveau y Bouix, 2000). 4.1.2.1.5 Aplicaciones industriales: Z. mobilis interviene en la fermentación del vino de palma, de la cerveza chica, así como en la fabricación del vino. Se asegura, además, que participaba en la fabricación de las cervezas auténticas de la antigüedad. También se ha utilizado para la conservación de jugos extraídos de remolacha y en el tratamiento de desechos de la industria cervecera para uso como alimento en animales de granja (un uso parecido se ha producido con la papa). Otro uso dado ha sido para la elaboración de cervezas con bajo contenido de alcohol (0,7%), a esta se la llama “cerveza dietética”. También ha sido empleada para desarrollar una nueva tecnología en la producción del “pulque”. Otra posibilidad de utilización de Z. mobilis es la producción a gran escala de etanol. Esto debido a que su rendimiento de conversión es mayor que el de la levadura y a que puede producirlo a una velocidad significativamente más elevada, además, esta bacteria no necesita oxígeno y presenta en general una mejor tolerancia al etanol que la levadura. Como desventajas podríamos apuntar que la cepa necesita de un pH de cultivo más elevado que el de las levaduras, y esto generaría un mayor peligro de contaminación, además, sólo metaboliza un espectro muy reducido de sustratos: glucosa, fructosa y sacarosa. En el futuro todos estos problemas podrás ser salvados gracias al aporte de la Ingeniería Genética y la Biotecnología. - - - 4.1.2.2 Saccharomyces cerevisiae S. cerevisiae es la especie de levadura utilizada por excelencia para la obtención de etanol a nivel industrial debido a que es un microorganismo de fácil manipulación, no es exigente en cuanto a su cultivo, no presenta alto costo, tolera altas concentraciones de etanol, en la fermentación produce bajos 41 niveles de subproductos, es osmotolerante, capaz de utilizar altas concentraciones de azúcares, presenta alta viabilidad celular para el reciclado y características de floculación y sedimentación para su procesamiento posterior. Junto con otras levaduras ha jugado un papel muy importante en la historia de la humanidad, ya que ha sido utilizada por el hombre desde hace milenios sin saberlo, en particular en la fabricación de bebidas alcohólicas (vino, cerveza) y de pan. El papel de las levaduras en la fermentación alcohólica no se puso en evidencia hasta los trabajos de Pasteur entre los años de 1866 – 1876. Hoy se utilizan en diferentes tipos de fermentación y también como fuente de vitaminas y proteínas en la alimentación humana y animal. Por último, el buen conocimiento de la biología molecular de estas levaduras y las técnicas de Ingeniería Genética han permitido utilizarlas para la producción de proteínas animales y humanas como el cuajo, la hormona de crecimiento humana o la vacuna contra la hepatitis B. 4.1.2.2.1 Características generales: - S. cerevisiae pertenece al grupo de las levaduras; estos son organismos eucarióticos unicelulares y por lo tanto sus estructuras se encuentran formadas por pared celular, núcleo diferenciado y organelos como ribosomas y mitocondrias. La formación de una cápsula de polisacáridos, la ausencia o presencia de vacuolas y el desarrollo de las mitocondrias dependen de las condiciones fisicoquímicas y de la edad del cultivo. - Taxonómicamente, tienen las sgtes. características: Reino División Clase Subclase Orden Familia Subfamilia Género Especie : : : : : : : : : Fungi Amastogomycota Ascomycetes Hemiascomycetidae Endomycetales Saccharomycetaceae Saccharomycetaidae Saccharomyces S. cerevisiae Como un microorganismo perteneciente al grupo de las levaduras, comparte con ellas las sgtes. características: Características Dimensiones (micras) Tiempo de duplicación (horas) pH (rango óptimo) Nitrógeno (%) Proteína (%) Ácidos Nucleicos (%) 42 Levaduras 4–8 1–3 4,5 – 5,5 7,5 – 8,5 35 – 45 6 – 12 Carbohidratos (%) - 30 – 45 Presenta colonias de color crema o blanco, apariencia húmeda y brillante de bordes irregulares y con un olor suigéneris. Colonias de S. cerevisiae en agar YPG - La temperatura óptima de crecimiento está entre los 25 a 30 ºC. Puede producir ascosporas cuando hay requerimientos nutricionales adecuados. Sus dimensiones son de 2,5 a 10 µm de ancho y 4,5 a 21 µm de largo. Microscópicamente se observan redondas y ovoides, elipsoides, a veces cilíndricas y filamentosas. Vistas microscópicas de S. cerevisiae tenidas con azul de metileno 43 - Fermentan glucosa, galactosa, sacarosa, maltosa y rafinosa. Su aireación óptima es de 0,6 a 0,9 vvm. En presencia de oxígeno las cepas pueden metabolizar sustratos como glicerol, etanol y lactato. En cuanto a su composición química, contienen un 75% de agua y un 25% de materia seca aproximadamente. La composición de la materia seca es la siguiente: Componentes Ceniza Carbohidratos Proteína Grasa Porcentaje (%) 7 43 48 2 - Sus ascas contienen cuatro esporos partenogénicos, esto se puede comprobar utilizando la tinción de Schimwell modificada por Mc Cheng (Carreño y Villanueva, 2007; Fajardo y Sarmiento, 2007). 4.1.2.2.2 Reproducción: - S. cerevisiae se divide por gemación y puede tener una reproducción asexual cuando se encuentra en su forma haploide y de manera sexual cuando, a partir de un cigoto, se forma un asca que contiene cuatro ascosporas haploides (característica de especie). - El apareamiento sexual de las levaduras sólo puede ocurrir entre células haploides de distinto sexo. Se definen por tanto dos tipos sexuales: a y α (alfa). La determinación sexual se debe a la diferencia en un único locus, conocido como MAT que gobierna el comportamiento sexual entre células haploides y diploides. - En la división por gemación las células hijas son de tamaño inferior al de las células madre. Ciclo sexual de S. cerevisiae 44 4.1.2.2.3 Metabolismo: - S. cerevisiae realiza fermentación alcohólica, en la cual el etanol es formado a partir de la D-glucosa; éste azúcar es convertido en piruvato por la vía de Embden Meyerhof Parnas (glucólisis). - El piruvato producido durante la glucólisis es descarboxilado a acetaldehído por la piruvato descarboxilasa, después el acetaldehído es reducido a etanol por la alcohol deshidrogenasa. Ruta bioquímica de producción de etanol a partir de la glucosa 4.1.2.2.4 Requerimientos nutricionales Los requerimientos nutricionales mínimos que necesita S. cerevisiae para su crecimiento son: o Fuente de carbono: azúcares o Fuente de nitrógeno: sulfato amónico, úrea o aminoácidos o Biotina, también llamada vitamina B8 o H o Sales y elementos traza. 45 - El carbono sirve como fuente de energía y como material constitutivo de la masa celular. El nitrógeno se encuentra en la célula formando parte esencial de las proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos; el fósforo se encuentra en los ácidos nucleicos, en la lecitina y en diversos compuestos fosforilados que participan activamente en los procesos de degradación oxidativa y de intercambio energético (ATP, ADP, AMP, NADP). Compuestos carbonados utilizables por S. cerevisiae D-Glucosa Trealosa D-Galactosa Rafinosa Manosa Maltotriosa Fructosa Desoxirribosa Sacarosa D-Manitol Maltosa Etanol Melibiosa D-Glucitol Melecitosa Ácido láctico 4.1.2.2.5 Requerimientos físico – químicos: El crecimiento de S. cerevisiae se ve favorecido por un ph próximo entre 4.0 a 5.0 y no se desarrolla bien en medio alcalino a menos que se hayan adaptado al mismo. A pesar de a tolerancia bastante amplia de esta levadura para las variaciones de pH a partir de los sustratos habitualmente usados en los medios de cultivo forman productos en especial ácidos que influyen en el crecimiento celular, producción enzimática y utilización de glucosa. - 4.1.2.2.6 Aplicaciones industriales: De manera industrial se utiliza para la producción levadura de panadería, para la elaboración de bebidas alcohólicas (cerveza, vino y otros), para la elaboración de algunos quesos, como alimento para animales y para la producción de proteínas heterólogas. Uno de los usos que ha adquirido mayor importancia en los últimos años es en la producción de alcohol industrial (Bioetanol); en está, la levadura produce por fermentación etanol y CO2 de sustratos tales como jugos azucarados, melazas, jugos de remolacha, maíz u otros. También se usan como fuentes de vitaminas del complejo B y de tiamina, en algunas fases de la producción de antibióticos y hormonas esteroides y como alimento para animales y seres humanos. - - 46 4.1.3 Bioquímica en la producción de Bioetanol. 4.1.3.1 Generalidades: Se considera que las levaduras son los microorganismos más vinculados al progreso y bienestar humano. Esto ha sido debido principalmente a su capacidad de convertir eficientemente azúcares, como los que se encuentran en el mosto de uva, frutas, cebada y otros cereales y leche, en alcohol y CO 2. Se ha dicho que la levadura es la “planta” más antigua que ha sido cultivada. Se sabe que la fabricación del pan y la cerveza ya se practicaban en Tebas durante la XI dinastía, 2000 años antes de Cristo. S. cerevisiae y algunas especies próximas han sido muy utilizadas tanto en microbiología industrial (bebidas fermentadas, pan, y, ocasionalmente, glicerina y grasa) como en todo el desarrollo de la Bioquímica. A esto último ha contribuido la facilidad de disponer de levaduras de pan o de cerveza prácticamente puras y en unas condiciones excepcionalmente favorables de mantenimiento y cultivo. Probablemente el primero que vio una levadura fue A. van Leewenhoek en 1680. En el siglo XVIII, Linneo, el creador de la sistemática moderna, se interesó por la fermentación alcohólica, pero hubo que esperar hasta mediados del siglo XIX para obtener los primeros avances importantes en el conocimiento de la fisiología y bioquímica de las levaduras. En 1987, los hermanos Büchner obtuvieron el primer extracto de levadura, con el que pudieron fermentar la glucosa sin la presencia de células; por este motivo esta fecha se considera como la del nacimiento de la Bioquímica. Cagniard-La tour demostró en 1837 que la levadura se multiplica durante la fermentación alcohólica y fue quien primero le atribuyó una naturaleza vegetal. Schwann la llamó “zuckerpilz” (hongo del azúcar), de lo que se deriva el nombre de Saccharomyces dado más tarde por Kutzing. El proceso químico de la fermentación fue establecido por Gay-Lussac a principios del siglo XIX: C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 Constituye la tercera estequiometría de la química biológica, después del proceso respiratorio de Lavoisier y la fotosíntesis. Por lo que se refiere a la fermentación alcohólica, a mediados del siglo pasado se estableció una apasionada discusión entre los grandes químicos orgánicos Liebig, Wöhler y Berzelius, que consideraban que el crecimiento de la levadura era un fenómeno secundario, y los partidarios de la llamada teoría vitalista, la cual establecía que la fermentación era una actividad química ligada a la vida. En 1857 Pasteur asoció fermentación y microbio de forma totalmente convincente y estableció la fermentación como una 47 forma de vida anaerobia en la que el suministro energético se deriva de la degradación parcial de la materia orgánica. Es bueno recordar que el nombre “fermentación” es muy antiguo y significa ebullición a temperatura ambiente. También es interesante señalar que el nombre de fermento es sinónimo de levadura y, en menor grado, de microbio. Como ya se dijo, el microorganismo más utilizado para la producción de etanol a través de procesos fermentativos es S. cerevisiae. Las características de estas cepas son un poco diferentes a las cepas utilizadas para la elaboración de los vinos y alcoholes alimentarios: - Las cepas deben ser genéticamente estables y tener las mismas prestaciones en un gran número de fermentaciones. - Deben de ser capaces de fermentar el medio lo más rápidamente posible y producir etanol con un rendimiento próximo al rendimiento teórico. - Deben producir lo menos posible otros compuestos ya que provoca un descenso del rendimiento en etanol y complica la destilación (p. ej. compuestos volátiles). - Deben ser poco exigentes en factores de crecimiento para limitar las adiciones de vitaminas a los medios industriales. - Para los procesos con reciclado de levaduras, deben tolerar una presión osmótica elevada debida a las sales. - Para los procesos con reciclado de las levaduras, deben conservar una buena viabilidad al final de la fermentación y por lo tanto presentar una buena tolerancia al etanol. - El carácter de flocular debe ser deseado. Otra característica que hace que S. cerevisiae sea utilizado mayormente en la producción de etanol por vía fermentativa es debido a que produce un mejor proceso de separación después de la fermentación, además producen un contenido de toxinas muy inferior a otros microorganismos (es inocuo). 4.1.3.2 Rutas bioquímicas utilizadas: Como se ha comentado líneas arriba, el proceso desarrollado para producir etanol a partir de procesos biológicos es la fermentación alcohólica. Ésta transcurre por la misma ruta enzimática de la glucólisis, pero necesita dos etapas adicionales: - En la primera parte, el átomo de carbono α del piruvato es atacado por el pirofosfato de tiamina y experimenta una descarboxilación o sea, perdida de CO2; el coenzima queda en la forma de 2-hidroxietil – derivado que puede considerarse una forma del acetaldehído activado o ligado al coenzima. Piruvato Acetaldehído + CO2 48 - En la etapa final al acetaldehído se reduce a etanol y el potencial de reducción es proporcionado por el NADH + H+, en una reacción catalizada por la enzima alcohol deshidrogenada. Acetaldehído + NADH + H+ Etanol + NAD+ Las reacciones de la fermentación alcohólica resultan completas en su visión del fenómeno cuando en las mismas se tiene en cuenta la formación de ATP a partir de fosfatos. En realidad, este proceso no puede ocurrir sin la simultánea fosforilación oxidativa del ADP C6H12O6 + 2Pi + 2ADP 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O Durante la etapa de crecimiento de los cultivos, los mismos son sometidos a una oxigenación fuerte, mediante la aireación del medio, lo que permite la utilización de la glucosa por oxidación completa. Este proceso rinde una gran cantidad de energía que en parte es fijada mediante el sistema ADP - ATP y posibilita el desarrollo de reacciones de síntesis celular, que consumen gran cantidad de energía. Una vez que el cultivo en el fermentador ha alcanzado el número de células necesario para la degradación óptima de la materia prima se elimina la aireación y las condiciones anaeróbicas se establecen en el medio por el consumo de oxígeno remanente y el desprendimiento de CO2. En las condiciones anaerobias, el aporte de energía a las células es muy pequeño comparado con el de la respiración y con las necesidades energéticas de la síntesis, lo que implica que en estas condiciones no se produzca el crecimiento celular. La experiencia indica, no obstante, que aún en condiciones anaerobias existe una mínima reproducción celular a expensas y acorde con el pequeño aporte energético recibido por la célula. Este fenómeno es conocido como "Efecto Pasteur". 49 Fructosa 1-6 di P Aldolasa 3. Dihidroxiacetona P- reductasa 4. Glicerol 1 - fosfatasa 2. OL deshidrogenasa 1. Piruvato descarboxilasa Vía de la Glucólisis y Fermentación alcohólica (simplificadas), seguida por S. cerevisiae para la producción de etanol. Como puede verse en la figura anterior, S. cerevisiae no sólo produce etanol al realizar su metabolismo. La Fructosa 1-6 di-P es escindida por la enzima aldolasa, produciendo Gliceraldehído 3-P (el cual luego formará piruvato, del cual se producirá el etanol) y además se produce una pequeña parte de Dihidroxiacetona-P, compuesto del cual se producirá glicerol; esto fue aprovechado por el científico alemán Carl Neuberg que durante la Primera Guerra Mundial desarrolló una fermentación modificada de S. cerevisiae agregando iones bisulfito sódico al 3,5% a un pH de 7.0 para que las levaduras produjeran glicerol en lugar de etanol (Prescott, et. al. 1999; Leveau y Bouix, 2000; Parés y Juárez, 1997; Fajardo y Sarmiento, 2007; Wikipedia, 2008). Por el contrario, bacterias como Z. mobilis producen etanol valiéndose de otras vías, como la de Entner –Doudoroff: 50 Fermentaci ón alcoh ólica Gluc ólisis Enzimas: 1= glucoquinasa 2= glucosa 6 P-deshidrogenasa 3= 6 P-gluconolactonasa 4= 6 P-gluconato deshidratasa 5= 2-ceto 3-desoxi 6 P-gluconato aldolasa 6= gliceraldehído P-deshidrogenasa 7= P-glicerato quinasa 8= P-glicerato mutasa 9= enolasa 10= piruvato quinasa 11= piruvato decarboxilasa Vía de Entner Doudoroff para la producción de etanol por Z. mobilis 4.1.3.3 Balance energético en la fermentación alcohólica: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exotérmico que genera las moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras. Debido a las condiciones de ausencia de oxígeno durante el bioproceso, la respiración, la respiración celular de la cadena del ADP en ATP queda completamente bloqueada, siendo la única fuente de energía para las levaduras la glicólisis de la glucosa con la formación de moléculas de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato. El balance a nivel molecular del proceso se puede decir que genera 2 moléculas de ATP por cada mol de glucosa. Si se compara este balance con el de la respiración celular se verá que se generan 38 moléculas de ATP. A pesar de ello parece ser 51 suficiente energía para los organismos anaeróbicos. La energía libre de Gibbs (entalpía libre) de la reacción de fermentación etílica muestra un valor de ΔG de -234.6 KJ mol-1 (en un entrono de pH = 7); este valor negativo de la energía libre de Gibbs indica que desde un punto de vista termodinámico la fermentación etílica es un proceso químico espontáneo. Entonces, teniendo la siguiente ecuación general: C 6H 12O6 Azúc ar - + 2Pi + 2 ADP 2CH 3-CH 2OH Et anol + 2CO2 88g + 2 ATP + 25.5 kcal H exos a Anh. c ar b ónic o Rx exerg ón ic a 180g 92g En r eal idad dif er ent e del Yp/s ideal Pr oducc i ón d e otr o s m et abol it o s M ant eni m ient o Peso Etanol Anh. Carbónico Glicer ol Ac. Succínico Materia celular TOTAL % Rendi m . E xper im . 90 – 95% del t eór ic o (0. 469-0 .485 g/ g) Rendi m . I ndu stri al 87 – 93% del t eór ic o 100 Kg azúcar-hexosa ? 51.1 Kg Etanol + 48.9 Kg CO 2. 48.4 46.6 3.3 0.6 1.2 100.1 Podemos ver que “Teóricamente” el rendimiento del producto (Yp/s) es: Por cada 180 g de Azúcar (hexosa), obtenemos 92 g de etanol + 88 g de Anh. carbónico (CO2). en la fermentación De acuerdo a Gay Lussac, la Yp/s alcohólica es la siguiente: - Por cada 1 g de glucosa, obtenemos 0.511 g de etanol + 0.489 g de CO2 ó lo que es lo mismo: Por cada 100 Kg de Azúcar (hexosa) obtenemos 51.1 Kg de etanol + 48.9 Kg de CO2. ideal en la fermentación Peso % 48.4 46.6 3.3 0.5 1.2 100.0 De acuerdo a Pasteur, la Yp/s alcohólica es la siguiente: Producto Etanol Anh. carbónico Glicerol Ac. succínico Materia celular TOTAL En la práctica, se puede observar que el valor obtenido de la Yp/s después de un proceso real de fermentación es diferente del Yp/s teórico. Esto se debe a que la célula no utiliza todo el azúcar (hexosa) disponible para producir etanol, muy por el contrario, este sustrato también es utilizado para la producción de diferentes metabolitos y para distintas funciones de mantenimiento. El valor de la Yp/s experimental es del orden del 90 – 95% del valor teórico (o sea, 0.469 – 0.485 g/g), mientras de que de manera industrial la Yp/s es del orden del 87 – 93% del valor teórico. 52 4.1.3.4 Efecto Pasteur y efecto Crabtree: En el desarrollo de la fermentación alcohólica se pueden observar dos efectos muy importantes que influyen y pueden afectar todo el proceso. Estos son el efecto Pasteur y el efecto Crabtree. El Efecto Pasteur se refiere a la inhibición de la fermentación por el oxígeno (respiración). Esto se debe a que S. cerevisiae puede metabolizar los azúcares tanto en aerobiosis como en anaerobiosis y al permitir la respiración un mejor rendimiento celular, para un mismo rendimiento celular se consume menos azúcar en aerobiosis que en anaerobiosis, dicho de otro modo, la aerobiosis conlleva a una disminución del consumo de azúcar y por ende a una disminución de la fermentación. El efecto Crabtree o mejor conocido como “efecto glucosa” se refiere a que, cuando la concentración de azúcar en el medio es elevada, S. cerevisiae sólo metaboliza los azúcares por vía fermentativa; incluso en presencia de oxígeno, la respiración es imposible. Entonces, para un proceso de fermentación, se debería aprovechar las propiedades del efecto Crabtree (elevadas concentraciones de azúcar en el medio que favorezcan la fermentación) y evitar en lo posible el efecto Pasteur (que induce la respiración en detrimento de la fermentación). Características del efecto Crabtree o glucosa Alta concentración Baja concentración de azúcar de azúcar Vía catabólica Fermentación Respiración Rendimiento ATP Bajo Alto Rendimiento biomasa Bajo Alto Rendimiento de producto final Alto Bajo Comparación entre el efecto Pasteur y el efecto Crabtree Baja concentración de Alta concentración de azúcar azúcar - Regeneración de - Regeneración de NADH por NADH por Bajo nivel de oxígeno fermentación fermentación disuelto - Bajo YATP - Bajo YATP - Bajo Yx/s - Bajo Yx/s - Alto Yetanol - Alto Yetanol - Regeneración de - Regeneración de NADH por NADH por Alto nivel de oxígeno respiración fermentación disuelto - Alto YATP - Bajo YATP - Alto Yx/s - Bajo Yx/s - Bajo Yetanol - Alto Yetanol 53 4.2 Procesos de Producción Industrial de Bioetanol: De manera industrial, existen tres principales caminos para producir etanol a partir de materia prima biológica; todos ellos incluyen una fase de fermentación por levaduras, seguida de una posterior destilación mediante la aplicación de calor. La duración de cada sistema es distinta, así como la producción de etanol y su coste, dependiendo del elemento inicial, que puede ser un producto azucarado, almidón o material celulósico. El método más sencillo es el que usa un producto azucarado, como puede ser caña de azúcar o sorgo dulce. Como el rendimiento del cultivo es alto, es también el que produce mayor cantidad de alcohol por unidad de superficie, aunque esto no es completamente cierto en el caso de la caña, pues habría que tener en cuenta que este cultivo utiliza el suelo los doce meses del año. El cultivo se trata por medios mecánicos para extraer el mosto azucarado. En caña y sorgo basta con un simple molido. Luego, el jugo azucarado fermenta en un tanque hasta convertirse en alcohol de bajo grado, que contiene demasiada agua para poder usarse como combustible. La última parte es la más costosa. Para usar en mezclas, el alcohol debe ser totalmente anhidro. Cuando se usa solo, puede contener hasta 10% de agua o incluso más, dependiendo del tipo de motor. Esto encarece su uso en la mezcla con gasolina, llamada gasohol, por lo que se puede pensar en la extracción de etanol a partir de almidón o de celulosa. Las fases de fermentación y destilación para éstos son idénticas a la utilizada en la caña. Cuando se trata de productos que contienen almidón (grano o tubérculo), se necesita un camino más largo. Antes de la fermentación, el almidón deber ser convertido en azúcar, para lo que se requiere un tratamiento enzimático en un tanque especial. 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. Tres son los métodos principales para extraer estos azúcares: la hidrólisis con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática. Procesos generales para la producción de Bioetanol 54 Tres cuartas partes de la producción de etanol utilizan el método clásico discontinuo, que es un proceso lento, seguido de una eficaz destilación multifase. En este procedimiento, la fermentación del mosto (p. ej. melaza) o mezcla tiene lugar en un tanque cilíndrico-cónico Nathan inoculado con una levadura que ha sido cultivada en un proceso aparte. La multiplicación continua de la levadura tiene lugar en un tanque de pre-fermentación con la melaza esterilizada y con él se inocula el tanque de fermentación principal. Entre la fase de fermentación y destilación, la levadura puede separarse y utilizarse para inocular el sustrato de la siguiente fermentación. En caso de emplear materiales amiláceos o una mezcla con cereales enteros, no es posible recuperar la levadura de la mezcla de fermentación y debe procesarse toda la mezcla; el subproducto resultante se utiliza en la alimentación animal y se comercializa como granos de destilería deshidratados, en lugar de gluten de maíz. Materias primas (melazas, jugo de azúcar, almidón, celulosa, etc.) Vapor Amilasas (p. ej. Almidón) Licuefacción Glucoamilasa CO2 Fermentación CO2 + Biomasa Destilación Etanol al 96% Deshidratación Etanol absoluto Destilación azeotrópica Concentración de residuos Piensos, combustibles, abonos Esquema de un proceso de fermentación continuo La fermentación clásica se desarrolla en tres fases. Durante las primeras 12 a 24 h, las células de levadura se multiplican rápidamente en condiciones aerobias consumiendo el oxígeno presente en la mezcla. En la fase intermedia (12 a 48 h) ocurre la formación principal de alcohol con la postsacarificación de los oligosacáridos, mientras que la multiplicación de las 55 levaduras decae, acompañada de la liberación de calor que se manifiesta por un aumento de la Tº hasta los 40 ºC. Finalmente, se produce un descenso asintótico de la formación de etanol, acompañado de un crecimiento insignificante de las levaduras en la fase final (48 a 72 h). El etanol mezclado con el CO2 procedente de la fermentación se recupera mediante un proceso de lavado. El tiempo de fermentación puede acortarse a 36 a 48 h utilizando una Tº más elevada y aumentando la siembre de levaduras. Como se considera imposible conseguir unas condiciones asépticas mediante la completa esterilización de un volumen tan alto de mezcla de fermentación, normalmente la fermentación en discontinuo se realiza sin alcanzar la esterilización completa del medio ni del equipo. En ocasiones, ocurre alguna contaminación por bacterias ácido-lácticas, reduciendo el rendimiento en etanol hasta un 20%. Esta contaminación es más frecuente cuando se utiliza una tolva de sedimentación, ya que se acumulan los microorganismos contaminantes y terminan por aclimatarse a las condiciones de fermentación. Recientemente se ha desarrollado un proceso continuo en el que la mezcla sustrato entra en el fermentador a la misma velocidad que la salida de la mezcla ya fermentada, y en la que parte de la levadura de la cosecha se recupera y vuelve al tanque. Este método es más rápido (8 a 18 h) dependiendo de la Tº y del contenido de azúcares de la mezcla, porque el cultivo de levadura está continuamente en un estado fisiológico activo, y además porque se puede mantener un control más estricto de la Tº y del pH. Existen tres tipos de procesos continuos: el reactor continuo agitado convencional (CSTR), el CSTR acoplado a un reciclador de células, y el reactor de células inmovilizadas. Los dos últimos suponen mejoras sobre el sistema CSTR convencional porque el empleo de altas densidades celulares aceleran la fermentación (Byong, 2000). Los países pioneros es estos rubros son Brasil y Estados Unidos. El etanol puede usarse solo o mezclado con gasolina, dependiendo de su pureza; así, cuando está puro (99,5%), se puede mezclar, sin apenas modificaciones en el motor; si impuro (95 – 96%), se utiliza en solitario, si bien es preciso realizar modificaciones de cierta importancia. Ahora, para empezar a usarlo en gran escala sería necesario que s diera una rara combinación de altos precios del petróleo a la vez que una caída de los precios de la materia prima empleada para la obtención del bioalcohol. Por otra parte parece evidente que ésta utilización de etanol a gran escala iría en perjuicio de los suelos, ya que la expansión de estos cultivos provocaría un aumento de la erosión en general. Por éste y otros motivos, al principio, se pensaba que el etanol proveniente del suelo a través de los cultivos llegaría a utilizarse sólo como un aditivo, y no como un combustible. Por ejemplo, en Estados Unidos, la caña de azúcar y el sorgo, representan un potencial bastante escaso, de modo que las posibles fuentes de etanol tendrían que ser principalmente el almidón de los cereales o de otros cultivos como la papa. En todo caso, la realidad es que cualquier paso dado en el sentido de ahorrar petróleo a base de mezclar sus derivados con otro tipo de combustible como los alcoholes, requiere subsidios para ser económicamente rentable. 56 Diferenciación de procesos de producción de Bioetanol 4.2.1 Bioetanol a partir de Maíz: El maíz (Zea mays) es la materia prima de mayor uso en los Estados Unidos, ya que se destinan 35 millones de toneladas de este cereal para la producción de etanol. Desde hace 20 años se utiliza este combustible en una mezcla del 10% (E10), en promedio, con las naftas. 4.2.1.1 Acondicionamiento de la materia prima: Para el proceso de preparación de la materia prima y la obtención de los azúcares que contienen, en el maíz y otros cereales, se utiliza principalmente dos tecnologías: Wet milling y Dry milling. a) Proceso de molido húmedo (Wet milling processes): Se aplica normalmente en plantas con grandes producciones de etanol y es utilizada por aproximadamente dos tercios de los productores de EE.UU. Este sistema es elegido cuando se quieren obtener otros productos como el sirope, fructosa, dextrosa, etc. además de la producción de alcohol. Es un proceso complejo, dado el elevado número de pasos a seguir en el pretratamiento del maíz y su separación en sus diferentes componentes. En este proceso el maíz es “escaldado” en agua caliente, lo que ayuda a romper las proteínas, liberar el almidón presente en el maíz y ablandar el grano para el proceso de molido. El maíz es molido para obtener el germen, la fibra y la fécula. Con el germen se obtienen aceite y la fécula se centrifuga y sacarifica para producir una pasta de gluten húmeda. 57 Proceso de molido húmedo El proceso comienza con el secado de los granos, posteriormente se inspeccionan automáticamente y se limpian de piedras, trozos de caña o paja y cualquier otra impureza. El maíz se remoja en grandes tanques en una solución que contiene pequeñas cantidades de dióxido de azufre y ácido láctico. Estos dos productos químicos, en agua a una temperatura de unos 50 ºC, ayudan a ablandar los granos, en un proceso que puede durar entre uno y dos días. Durante este tiempo el maíz se hincha, luego se ablanda y debido a las condiciones ligeramente ácidas de la disolución se libera el almidón. La siguiente parte del proceso es pasarlo a través de un separador que, principalmente, hace que el germen de los granos flote en la parte superior de la mezcla y sea posible recogerlos fácilmente (debido al contenido de aceite de estos). A partir de ahí primeramente se obtiene la parte fibrosa y posteriormente se separa el almidón de las proteínas por un proceso de centrifugación. b) Proceso de molido seco (Dry milling process): Este proceso consiste en limpiar y moler los granos de cereal hasta reducirlos a finas partículas por un sistema mecánico. Se produce una harina con el germen, la fibra y la fécula del maíz. Para producir una solución ‘azucarada’ la harina es hidrolizada o convertida en sacarosa usando enzimas o una disolución ácida. La mezcla es enfriada y se le añade la levadura para que comience a fermentar. 58 Proceso de molido seco De la masa resultante, una vez obtenido el alcohol, se obtiene un subproducto (DDGS, en inglés Dried Destiller Grains of Solubles, granos secos, solubles, de destilería, que se distribuyen en forma de pellets) que se puede utilizar como alimentación para ganado. Esta tecnología es usada en plantas de pequeño y medio tamaño. 4.2.1.2 Conversión enzimática del almidón en azúcar: Es otra manera de tratar la materia prima antes de pasar a la fermentación. Lo que se persigue con ese proceso es liberar los monosacáridos contenidos en el almidón para optimizar la fermentación. Hidrólisis enzimática del almidón en azúcar: α - amilasa 2n C6H10O5 + n H2O (almidón) Sacarificación: glucoamilasa n C12H22O11 (maltosa) C12H22O11 + H2O (maltosa) 2 C6H12O6 (glucosa) C12H22O11 + H2O (sacarosa) glucoamilasa 2 C6H12O6 (glucosa) + 2 C6H12O6 (fructosa) 59 Para la hidrólisis del almidón se usan bacterias termorresistentes porque el proceso se lleva a cabo a altas temperaturas (99 – 110 ºC) 4.2.1.3 Fermentación: La levadura se añade a la mezcla para convertir los monosacáridos en etanol (8 – 12%) y CO2. Se añaden 450 g de levadura por cada 1 000 L de mezcla. Del proceso, p = 48 a 72 bar y t = 29 – 35 ºC. Para la producción de Bioetanol a partir de maíz se pueden utilizar tres tipos de fermentación: - La discontinua (o batch, que se caracteriza por ser un cultivo cerrado que contiene una cantidad inicial de sustrato y el producto deseado se recupera al final de la fermentación); - La continua (en la que hay un equilibrio entre el volumen del medio añadido y el que fluye transformado por la acción microbiana, por lo que el volumen en el reactor se mantiene constante) y - Por medios enzimáticos. De cada 100 g de almidón se pueden obtener teóricamente 111 g. de glucosa, lo que implica una relación estequiométrica de 9:10. Entonces, a través de la fermentación alcohólica podemos obtener 0,40 L de etanol/Kg de maíz. La relación energía entregada/Energía utilizada = 1,22. En la industria se puede observar que con 626 Kg de almidón contenidos en una tonelada de maíz se pueden producir 100 litros de Bioetanol, 333 Kg de granos de destilería con 10% de humedad y 285 Kg de CO2. 4.2.1.4 Destilación: Terminado el proceso de fermentación, hay que separar el etanol producido del agua acompañante en el biorreactor, para esto se recurre a la destilación. Existen tres métodos de destilación utilizados para separar el etanol de maíz formado: por agotamiento, por purificación y por rectificación. Después de esto se tiene un etanol que puede ser utilizado para cualquier proceso de los antes mencionados, este presenta una pureza del 95 a 96%, siendo lo demás agua. Por procesos químicos, se puede obtener un etanol anhidro, o sea, que una cantidad mínima de agua (etanol al 99,5%), este puede utilizarse puro y sin cambios en casi cualquier motor de combustión interna. 4.2.1.5 Contexto internacional del Bioetanol de maíz: - En el ámbito mundial, es el principal grano forrajero. - Estados Unidos es el mayor productor de Bioetanol a partir de maíz, ya que para el 2006 produjo aprox. 4. 855 millones de galones de este producto. 60 - Este país produjo en el año 2005 un poco más de 300 millones de toneladas de maíz, de las cuales dedicaron a la producción de Bioetanol, aprox. 39 millones de toneladas. Además tiene 74 plantas que producen Bioetanol de maíz y existen otras 15 en construcción. En Europa, Japón y China se consumen 4500 millones de litro de etanol. En el viejo continente planean utilizar en 2010 un 5,75% de este combustible mezclado con nafta. Se espera que para el 2012, aprox. 70 millones de toneladas de maíz sean necesarias para producir 28 mil millones de litros de Bioetanol. Proceso general de producción de Bioetanol a partir de Maíz 4.2.2 Bioetanol a partir de Yuca: La yuca (Manihot esculenta), conocida también como mandioca o tapioca, es en estos días una materia prima interesante para la producción de Bioetanol, sobre todo en los países en vías de desarrollo, ya que es un cultivo prácticamente exclusivo de este tipo de países. Nigeria es el precursor de la producción mundial de etanol de yuca en el mundo, pero su producción no alcanza niveles industriales competente, aunque produce 39 millones TM de yuca, su meta es usar la mayor parte de ésta como materia prima para etanol. Para su producción se sigue el sgte. esquema: 61 Acondicionamiento de la materia prima Proceso general de producción Existen algunos puntos por mejorar en la producción de Bioetanol a base de esta materia prima, p. ej., hasta el momento no se ha podido resolver satisfactoriamente el tratamiento de aguas residuales producidas por la planta de etanol de yuca. Actualmente la producción que se obtiene es de 0,53 L etanol/Kg de yuca, teniendo una relación de energía entregada/energía utilizada = 1,17. Los rendimientos potenciales se estiman de 20 a 30 toneladas por ha., con un contenido de almidón de hasta 35%, de modo que al considerar la eficiencia de fabricación agroindustrial en un 70%, se puede producir hasta 4,630 L de Bioetanol por ha. 4.2.3 Bioetanol a partir de Remolacha: La remolacha azucarera (Beta vulgaris) es una planta bianual que durante el primer ciclo de su desarrollo produce una raíz con alto contenido de sacarosa (16 a 18% en peso) dependiendo de la variedad (ciclo de 6 a 7 meses a partir de la siembre) y en el segundo ciclo desarrolla un tallo floral, yemas, flores y semillas. La materia seca de la remolacha, es casi tan rica como la de los cereales, ya que en base se seca, el 77% del peso de la raíz, está representado por azúcares fermentables, casi exclusivamente por sacarosa. El análisis típico del jugo difusor (equivalente al jugo mezclado de la caña) nos muestra en base seca, un contenido del 87,75% de sacarosa + 1,03% de azúcares invertidos. Además, de una tonelada de raíz, como co-producto de la fabricación de Bioetanol, se 62 producen: 472 Kg de pulpa húmeda (que al secarse puede utilizarse como alimento para el ganado), 17Kg de pectina y 2,9 Kg de lignina. En Europa la remolacha, junto con el trigo, representan las materias primas principales para la producción de Bioetanol. Francia es uno de los países que más ha desarrollado tecnología para obtener Bioetanol de remolacha, después de establecido el Protocolo de Kyoto. Tienen sistemas para producir en la misma planta, etanol de remolacha durante otoño y de trigo el resto del año y próximamente se pondrá en marcha en Francia una planta de 2,6 millones de hectolitros (Hl.) de Bioetanol y otra de 3 millones de Hl. Al producir etanol por fermentación se obtienen 0,2 L etanol/Kg de remolacha, siendo la relación energía entregada/energía utilizada = 2,92. Además presenta una producción media de 55 T/ha, lo que equivale a unos 50 Hl./ha, pero con la desventaja de la disponibilidad de sólo 60 días al año. 4.2.4 Bioetanol a partir de Sorgo dulce: El sorgo dulce (Sorghum bicolor) es una planta bianual C4, un pasto de origen tropical, con un alto potencial para la producción de biomasa, debido a su eficiencia fotosintética. El grano de sorgo es rico en almidón y es uno de los cultivos óptimos para otras aplicaciones industriales. En el mundo se cultiva principalmente en áreas donde la lluvia no es suficiente para otros cultivos como el maíz. De este grano se pueden obtener producciones rentables, ya que se pueden obtener hasta 30 T de materia seca por ha y en tal virtud, también hasta 13, 000 L de Bioetanol por ha. (130 L por tonelada de sorgo) aprovechando las 13 toneladas de azúcar de sus jugos y las 10 toneladas de sus tallos y follajes. El jugo azucarado que se obtiene de la planta se fermenta en un tanque hasta convertirse en alcohol de bajo grado, que contiene demasiada agua para poder usarse como combustible. La mayor parte del agua se elimina en columnas de destilación. La última parte es más costosa. Para usar en mezclas, el alcohol debe ser totalmente anhidro. Cuando se usa solo, puede tener hasta 10% de agua o incluso más, dependiendo el tipo de motor. En la India operan plantas de tamaño comercial produciendo alcohol carburante de esta planta leguminosa. Se obtienen 0,14 L de etanol/Kg de sorgo dulce, siendo la relación energía entregada/energía utilizada = 2,14. 4.2.5 Bioetanol a partir de Caña de azúcar: La caña de azúcar (Saccharum officinarum) es actualmente una de las materias primas más utilizadas para la producción de Bioetanol, es sembrada en países de clima cálido, siendo el Brasil el principal productor, ya que produce alrededor de 315 millones de T y siendo por ende el mayor productor de Bioetanol en base a caña ya que usa las 2/3 partes de su producción para este fin. Además cuenta con cerca de 300 destilerías y más de 225 ingenios. 63 Para la producción de Bioetanol a base de caña se puede utilizar el judo azucarado (para la cual la caña es “molida” para extraer dicho jugo) y también se puede usar los residuos de la industria azucarera (las melazas). 4.2.5.1 Producción a partir de Jugos Azucarados: Para la producción de Bioetanol a partir de jugos azucarados de caña se realiza el siguiente procedimiento: DISCONTINUO CAÑA DE AZÚCAR CAÑ AZÚ FERMENTACIÓN CONTINUO ENZIMÁTICAS ENZIMÁ AGOTAMIENTO LIMPIEZA, CORTADO DESMENUZADO TRAPICHES DESHIDRATACIÓN DESHIDRATACIÓ DESTILACIÓN PURIFICACIÓN PURIFICACIÓ RECTIFICACIÓN RECTIFICACI Ó BAGAZO ADICIÓN INVERTASA ADICI Ó ALMACENAMIENTO ETBE, MEZCLA DIRECTA INTERMEDIO FERMENTACIÓN FERMENTACI Ó Se obtienen 0,085 L de etanol/Kg de azúcar, entonces, siendo el rendimiento agrícola de 120 TM/h, el rendimiento en alcohol será 84,4 L etanol/TM ó 10 140 L etanol/ha. 4.2.5.2 Producción a partir Melazas: Las melazas de caña constituyen la fuente principal del Bioetanol producido de manera industrial. Esta materia, proveniente de la industria azucarera, es el jarabe residual del jugo concentrado de la caña, una vez separados los cristales de azúcar. Suelen contener del 48–55% de azúcares, especialmente sacarosa. Estas melazas concentradas no son más que jugo de caña después de evaporar una parte del agua y, por tanto, contiene todo el azúcar, aunque una gran parte se haya invertido como resultado de una hidrólisis ácida. Su contenido en azúcar puede ser en ocasiones hasta del 78%. Concentración de azúcar: Para la producción de Bioetanol, suele ser satisfactoria una concentración del 10 al 18%. Aunque a veces se emplean concentraciones demasiado altas, estas actúan adversamente sobre la levadura, pues el alcohol producido puede inhibir su acción y, en consecuencia, se prolonga el tiempo de fermentación y puede no transformarse parte del azúcar. Por otra parte el emplea de concentraciones demasiado bajas no resulta 64 económico, ya que origina una pérdida del espacio de fermentación y un aumento de los gastos de obtención de la misma cantidad de alcohol en la destilación posterior. El valor más corriente para la fermentación es de 12%. Sustancias nutritivas: Aunque las melazas contienen generalmente la mayor parte de las sustancias nutritivas necesarias para la fermentación, para suplir la posible deficiencia de fósforo o nitrógeno puede añadirse fosfatos o sulfato amónico. pH del mosto: La fermentación continúa satisfactoriamente cuando el pH del mosto ha sido ajustado entre 4 y 4,5. Este pH favorece a la levadura y es lo suficientemente bajo para inhibir el desarrollo de muchos tipos de bacterias. Comúnmente se inocula la mayor parte del mosto con un iniciador que representa del 4 – 6% de su volumen, aunque en ciertas circunstancias puede oscilar del 2 – 25%. Tensión del oxígeno: Aunque la reacción fermentativa no requiere oxígeno, en los primeros momentos es necesaria una gran parte de este gas para la producción de las células de levadura en condiciones óptimas. Durante la fermentación se desprende CO2 y se establecen pronto las condiciones anaerobias. Temperatura: Se inocula el mosto a una Tº de 15 a 25 ºC, generalmente de 20 a 25 ºC, dependiendo de cierto modo de la temperatura exterior. Durante la fermentación aumenta la Tº del mosto. El empleo de serpentines de refrigeración o bien de chorros de agua sobre las paredes exteriores del depósito ayuda a mantener una Tº adecuada. A una Tº de 30 ºC el alcohol se evapora rápidamente y aumenta el desarrollo bacteriano. Tiempo requerido para la fermentación: La fermentación es comúnmente completada sobre las 50 h o menos, dependiendo de la Tº, concentración de azúcar y otros factores. Destilación: Se utiliza la destilación por agotamiento (separación de los sólidos del mosto, corrientemente llamada vinazas y obtención de una corriente más concentrada de etanol), purificación (separación de las impurezas más volátiles, corriente conocida como “cabezas”) o rectificación (separación de una parte del agua para enriquecer el etanol hasta un 90% en peso). Rendimiento: La producción de etanol a partir de las melazas de caña suelen alcanzar un 90% del valor teórico, referido al contenido en azúcares fermentables. Tratamiento final: El alcohol etílico de 95% en volumen puede ser nuevamente purificado, deshidratado o 65 - - - - - - - desnaturalizado. Así se tienen en el mercado alcohol etílico de 95% con desnaturalizante o sin él; alcohol de 96% químicamente puro, alcohol absoluto USP y alcohol etílico anhidro desnaturalizado. 4.2.6 Bioetanol a partir de Suero de Leche: Un método adecuado para la producción de etanol a partir de suero de leche fue desarrollado en 1941 por Browne y por Rogosa y colbs. en 1947. El proceso consiste en calentar el suero a ebullición, ajustando el pH a 5,0; separar las proteínas por filtración, enfriar el líquido claro a 34 ºC, añadir 1,0 Kg de Candida pseudotropicalis por 1 000 L de suero y efectuar la fermentación a 33 – 34 ºC durante 48 a 72 h, separando al final la levadura y destilando el alcohol. La cantidad máxima de levadura requerida para el sembrado fue de 2% del peso de lactosa presente en el suero antes de la fermentación. Los rendimientos de etanol obtenidos fueron por término medio del 91,73% en escala de laboratorio y más bajos, del orden del 84% en condiciones semiindustriales. Subproductos de esta fermentación son las proteínas del suero y los líquidos residuales que se pueden desecar una vez se ha destilado el alcohol en solución ácida. 4.2.7 Bioetanol a partir de residuos celulósicos y lignocelulósicos: Los residuos celulósicos y lignocelulósicos producidos por las industrias agrícolas, madereras, papeleras y hasta los RSU (Residuos Sólidos Urbanos) de origen vegetal, son potenciales fuentes de materia prima para la producción de Bioetanol. Entre sus cualidades está que son polímeros de glucosa, lo que quiere decir que si se logra disgregar o convertir a sus materiales primarios, sería una excelente fuente de azúcar para la fermentación alcohólica, además, estos son compuestos baratos y relativamente fáciles de conseguir, como el papel de desecho, desechos agrícolas (hojas, tallos, paja, bagazo), residuos madereros (virutas, aserrín). Como desventaja presenta que, como son compuestos complejos, de manera natural no se cuenta con un microorganismo de uso industrial que pueda degradar de manera directa la celulosa glucosa y luego a etanol, por lo que se hace necesarios la intervención humana, a través de la hidrólisis ácida y otros procesos químicos que hagan accesible para el microorganismo los azúcares simples presentes dentro de la celulosa; este proceso genera un encarecimiento en la producción. Acondicionamiento de la materia prima: Las celulosas no pueden ser fermentadas directamente, es necesario convertirla en azúcares más sencillos para su conversión en alcohol. La hidrólisis es un proceso químico que 66 divide la molécula de celulosa por la acción de la molécula de agua. Las complejas estructuras de la celulosa (celulosa, hemicelulosa y lignina) son divididas en diferentes procesos para conseguir una solución azucarada, y eliminar productos de descomposición de los azucares que pueden inhibir o, al menos, dificultar el proceso de fermentación. Principalmente se realizan procesos de hidrólisis de ácidos concentrados y bajas temperaturas, de ácidos diluidos y altas temperaturas y enzimáticos. Hidrólisis con ácidos concentrados En este proceso se añade entre 70-77% de ácido sulfúrico a la biomasa, que ha sido secada previamente hasta obtener una humedad menor del 10%. La proporción de ácido es de 1:25 por cada parte de biomasa y se mantiene a una temperatura controlada de 50ºC. Entonces se añade agua, para diluir el ácido a un 20-30% de la mezcla, aumentando su temperatura hasta los 100ºC. El gel producido en este proceso es prensado para obtener la mezcla de acido y azúcar, que finalmente son separados. Este es un proceso del que se obtiene rendimientos muy elevados pero a un coste igualmente muy elevado, por lo que industrialmente no se realiza. Hidrólisis con ácidos diluidos. Es uno de los procesos de hidrólisis más antiguos, simples y eficientes para la producción del alcohol. El primer paso es mezclar una proporción de 0,7% de ácido sulfúrico con la hemicelulosa presente en la biomasa, para que se hidrolice a 190ºC. La segunda parte consiste en optimizar el rendimiento de la reacción con la parte de la celulosa más resistente, para ello se usa un 0,4% de ácido sulfúrico a 215ºC. Finalmente los líquidos hidrolizados son neutralizados y recuperados, normalmente mediante percolación. Hidrólisis enzimática Consiste en “romper” (hidrolizar) la celulosa por la adición de determinadas enzimas. La celulosa es degradada por las celulasas a azúcares, que pueden ser fermentados por levaduras o bacterias para producir etanol. En síntesis, el proceso consiste en descomponer la celulosa y la hemicelulosa del residuo en azúcares sencillos y transformarlos en etanol por fermentación. En primer lugar se lleva a cabo un pretratamiento del residuo cuyo objetivo es alcanzar los mejores resultados en las etapas siguientes (hidrólisis y fermentación). Desde el punto de vista económico, esta etapa es crítica, puesto que gran parte del coste total del proceso estaría en esta primera etapa. 67 Como resultado del pretratamiento se obtiene una disolución de azúcares provenientes de la ruptura de la hemicelulosa y un residuo sólido (constituido principalmente por la celulosa del residuo original). La hidrólisis enzimática presenta ventajas frente a la hidrólisis química, como menores costes de equipamiento (debido a que se realiza a presión atmosférica y a temperatura próxima a la ambiental), mayores rendimientos y no necesita utilizar agentes químicos. Fermentación y obtención del producto (destilación): Estos dos procesos son similares a los descritos anteriormente. Esto demuestra que el punto crítico en la producción de Bioetanol a partir de compuestos celulósicos es el tratamiento primario, cabe decir, la liberación de los azúcares contenidos en la celulosa, para poder ser fermentados por los microorganismos comúnmente utilizados. El proceso general que se sigue para la producción de bioetanol a partir de compuestos celulósicos y lignocelulósicos es el sgte.: MATE RI A CELULÓ ELULÓ SI C A M ATE M ATE RI A LI G NO ELULÓSIC C LÓSICA A PRE HI DR LI SI S Á I D RÓ Ó C A Lignina HI DRÓ RÓ LI SI S EN I M TI C Z Á A ENZ FERM EN TA C FERMENTA I ÓN FERMENTA I ÓN EN TA C DESTI LA I ÓN C DESHIDRATAC ÓN RATACI I ALM AC EN AM EN I ENTO TO B OETANO I OETAN L O Flujograma de producción de Bioetanol a partir de residuos celulósicos y lignocelulósicos Producción general de Bioetanol a partir de residuos celulósicos y lignocelulósicos. 68 4.3 Perspectivas futuras en la producción de Bioetanol: En lo referente a la producción de Bioetanol de manera industrial, los mayores esfuerzos de la Ingeniería Genética se han enfocado e la ampliación de las capacidades de los microorganismos involucrados en la utilización de sustratos más baratos y disponibles. Con respecto a S. cerevisiae, se han obtenido cepas modificadas para la producción de etanol a partir de lactosa, xilosa y almidón. La obtención de cepas capaces de fermentar la lactosa permitirán la utilización del suero de leche para la producción eficiente de alcohol; ya que existen plantas productoras de etanol a partir de él mediante el empleo de levaduras del género Kluyveromyces, no obstante los rendimientos en estos casos son menores dada la baja tolerancia al alcohol de estas especies. También se ha clonado en S. cerevisiae el gene de la β-galactosidasa (enzima que hidroliza intracelularmente la lactosa en sus monosacáridos galactosa y glucosa) en Escherichia coli, en este caso sin una permeasa que permita la introducción del sustrato. La xilosa es también un material abundante que puede ser un sustrato conveniente para la producción de etanol; sin embargo, son muy pocas las levaduras capaces de fermentarlas. La reacción clave en la asimilación de esta pentosa es su transformación a xilulosa; esto se lleva a cabo en las levaduras capaces de asimilar este azúcar, como Pachysolen tannophilus, a través de la formación de xilitol como intermediario en una reacción catalizada por dos enzimas que requieren cofactores. La transformación de xilosa a xilulosa en bacterias ocurre en un solo paso catalizado por la enzima xilosa isomerasa. Los genes de E. coli y Bacillus subtilis que codifican para la xilosa isomerasa han sido clonados e insertados en levaduras de las especies S. cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe. En el 2009, científicos alemanes obtuvieron levaduras genéticamente modificadas capaces de convertir xilosa en etanol. Este desarrollo es fundamental para la producción de biocombustibles a partir de materiales celulósicos. Para la producción de etanol, la biomasa vegetal debe primero ser pretratada para formar una mezcla de azúcares simples (monosacáridos). El grupo del Instituto de Biociencias Moleculares de la Universidad de Frankfurt logró incorporar en la levadura el gen de la enzima xilosa isomerasa de la bacteria Clostridium phytofermentans en S. cerevisiae. Fabricando esta enzima, ahora la levadura puede aprovechar también la xilosa, mejorando el rendimiento del proceso de producción de etanol a partir de fuentes celulósicas. El trabajo fue publicado en la revista Applied and Environmental Microbiology (Argenbio, 2009). Probablemente el mayor esfuerzo se ha enfocado a la producción de etanol a partir de almidón con S. cerevisiae. Existen levaduras amilolíticas naturales como Saccharomycopsis diastalicus (que actualmente se considera una variante de S. cerevisiae), S. fibuligera y Schwanniomyces sp.; pero, la primera produce glucoamilasa que sólo es capaz de hidrolizar los enlaces α1,4 del almidón y, por tanto, realizar una degradación limitada del polisacárido, mientras que las últimas son poco tolerantes al etanol y por ello poco eficientes en su producción. Las amilasas de diferentes fuentes se han 69 clonado en diferentes en diversas cepas de S. cerevisiae; éstas incluyen αamilasas de trigo, de cebada, de ratón y de S. fibuligera, y glucoamilasas de S. fibuligera, S. diastaticus y hongos del género Aspergillus. Z. mobilis, también esta siendo modificada para mejor su rango de azúcares fermentables. Con el fin de producir etanol a partir de lactosa presente en suero de leche, los genes de β-galactosidasa y permeasa de E. coli han sido clonados, a través de vectores adecuados, a cepas de Z. mobilis. También se ha tratado de introducir plásmidos con el operón Lac de E. coli para la utilización Z. mobilis, aunque son resultados modestos. También se ha explorado la posibilidad de que Z. mobilis produzca etanol a partir de xilosa, clonando los genes de Xanthomonas necesarios para el catabolismo de esta pentosa (García et. al. 1993). Los biocombustibles transgénicos fueron el tema estrella en la revista científica Nature Reviews Genetics (Volumen IX de junio de 2008). En un interesante artículo, se planteaban las posibilidades de la ingeniería genética en plantas para la producción de Biocombustibles, en particular para la producción de etanol a partir de cultivo de plantas lignocelulósicas. En última instancia lo que se necesita para la producción de etanol son azúcares, y el artículo planteaba la posibilidad real de utilizar la manipulación genética para obtener variedades vegetales con una mayor cantidad de polisacáridos (azúcares) y características que permitan una mejor rotura de la lignina, celulosa y hemicelulosa de las plantas para acabar produciendo el etanol. En el artículo se plantea que el futuro de la producción de etanol está en el material celulósico complementado con el etanol a partir de grano, pero hay varios inconvenientes, entre ellos: - La producción de celulasas (enzimas que sean capaces de romper la celulosa para utilizarla) se lleva a cabo en caros biorreactores microbiológicos Los costes del pretratamiento del material lignocelulósico para eliminar la lignina (primera capa de protección vegetal) y poder acceder a la celulosa interior (Biocarburante, 2008). - E. coli, conocida habitante de nuestro tracto digestivo, también podría servir para obtener nuevos biocombustibles. Un grupo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles encontraron la manera de modificar genéticamente a cepas no patógenas de E. coli para que puedan producir nuevas versiones de alcoholes combustibles. Los compuestos que producen estas bacterias son alcoholes de cadena más larga que el etanol, de modo de hacerlos más eficientes para la generación de energía. Cuantos más átomos de carbono tiene la molécula de alcohol, más eficiente es como combustible, contiene un mayor índice de octano y es más fácil de separarlo del agua. Mientras el etanol tiene sólo dos átomos de carbono, el alcohol producido por estas bacterias E. coli recombinantes tienen hasta ocho. Los investigadores que desarrollaron estas bacterias, muestran como resultado que es posible producir alcoholes no tan comunes en bacterias, usando la ingeniería genética (Argenbio, 2009). 70 Como se ve, el futuro en la producción del Bioetanol es promisorio y muy interesante y en los próximos años los avances en la Ingeniería Genética y Biotecnología de seguro darán como resultado una producción fermentativa con materiales más baratos y microorganismos más eficientes. 71 5. CONCLUSIONES: - - - - - - - - - Los Biocombustibles no son buenos o malos por sí mismos, sino, básicamente va a depender de cómo se lleven a cabo las políticas y regulaciones dadas para poder ver si son favorables o desfavorables. El Bioetanol no podrá sustituir totalmente a los combustibles fósiles, pero sí complementarlos en forma de mezclas con el fin de reducir la dependencia respecto del petróleo. Los principales objetivos de la producción de Bioetanol son: preparar mezclas con gasolina (E5, E10, E85) y aditivos como el ETBE (que reemplacen a los MTBE). De todas las materias primas utilizadas actualmente para producir Bioetanol, la caña de azúcar es la que tiene el rendimiento más bajo por tonelada, pero tiene un alto rendimiento agrícola. La energía requerida para obtener maíz en el proceso agrícola es 11 veces mayor que la necesaria para cultivar la caña y producir etanol de su jugo. La yuca, el sorgo dulce y la remolacha tienen un alto rendimiento de alcohol por hectárea, pero su producción agrícola es muy baja para el propósito industrial. La materia prima más prometedora es la de emplearía materiales celulósico y lignocelulósicos, ya que son materias primas baratas y relativamente fáciles de conseguir, además que no competiría con los terrenos para cultivo alimentario, ya que la mayoría son materiales de desecho agrícola o industrial; el reto está en desarrollar tecnologías que abaraten los procesos de extracción de azúcares presentes en estos compuestos o de desarrollar microorganismos modificados que puedan metabolizarlos directamente. Otros materiales que podrían ser competitivas en un futuro cercano serian los desechos industriales tales como las melazas (de la industria azucarera) y los sueros de leche (de las industrias lácteas); esto siempre y cuando se logren mejorar algunos aspectos claves en su producción. Todas las materias primas generan coproductos de un significativo valor agregado, que pueden ser destinados con éxito para la alimentación del ganado, por su contenido energético. El microorganismo con mayor capacidad para producir etanol es Z. mobilis. Con ayuda de la Ingeniería Genética, se podrá lograr en esta bacteria, una mayor gama de fuentes de carbono fermentables. En el Perú, ante la falta de claridades la información, la promoción de los Biocombustibles se presenta apurada y desordenada, lo que representa un gran riesgo para la seguridad alimentaria y el ambiente. Siendo este un problema complejo, se debe promover la investigación y una toma de decisiones transparente y que de cuenta de las distintas dimensiones e impactos que tiene este tema, ya que la falta de coordinación, la escasez de criterios y el apuro por su promoción configuran un escenario en que las decisiones no se toman de acuerdo a evaluaciones integrales, sino de manera errática y basada en objetivos de corto plazo sin pensar en el futuro. 72 6. RECOMENDACIONES: Incentivar el desarrollo de mayor investigación referente a la búsqueda de nuevas materias primas, al mejoramiento y optimización de las ya existentes Desarrollar investigación referente al mejoramiento genético de los microorganismos fermentadores utilizados actualmente, para lograr la optimización de los procesos fermentativos; y buscar nuevos y mejores microorganismos fermentadores. Buscar nuevas maneras de optimizar la producción de Bioetanol a partir de caña de azúcar, ya que, al ser un cultivo de elevada producción por hectárea, se presenta como una materia prima con un elevado potencial de utilización. Conciliar las desventajas que presenta la producción industrial del Bioetanol, tanto en el aspecto alimentario como en el aspecto medioambiental, ya que lo deseable es que una energía renovable y limpia dañe lo menos posible en su proceso de producción. Promover el desarrollo de políticas y lineamientos que conduzcan a un mejor aprovechamiento de los Biocombustibles de acuerdo a nuestra realidad nacional. Promover el desarrollo de cultivos energéticos en el área rural, cuidando de que estos cultivos no compitan de manera indiscriminada con los cultivos alimentarios. La sierra podría ser una zona excelente para el desarrollo de dichos cultivos, ya que generaría nuevas fuentes de trabajo y utilizaría zonas de cultivo abandonadas o mal empleadas. Informar a la población sobre las ventajas y desventajas de la utilización de los Biocombustibles. Esto ayudará a tomar conciencia y a dar mayor apoyo a su desarrollo y utilización. Promover en la comunidad universitaria la investigación referente a la búsqueda de nuevas energías renovables y otros temas relacionados. - - - 73 7. REFERENCIAS: Apuntes Varios: Capítulo 14: Metabolismo de Glucosa. Obtenido el 16 de febrero de 2009 en http://marc.pucpr.edu/facultad/santos/Trabajos/611/bio611/capitulo_14.pdf Apuntes Varios: Lección 9: Producción de Polialcoholes. Obtenido el 16 de febrero de 2009 en http://www1.us.es/pautadatos/publico/asignaturas/40397/17341/BIOTEC_0607_TEMA%209.pdf Argenbio. 2009. Bacterias genéticamente modificadas para la producción de alcoholes para combustible. Obtenido el 8 de marzo de 2009 en http://www.argenbio.com/ Argenbio. 2009. Obtienen levaduras capaces de fermentar xilosa. Obtenido el 8 de marzo de 2009 en http://www.argenbio.com/ Bu’lock, J. y B. 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Obtenido el 15 de febrero de 2009 en http://es.wikipedia.org/wiki/Etanol_(combustible) - - - 76 8. GLOSARIO: Aerobiosis: Presencia de oxígeno en un medio. Los microorganismos que crecen en presencia de oxígeno se les llama “aerobios”. Agar LMDA: Agar Mutidiferencial de Lee (por sus siglas en inglés). Anaerobiosis: Ausencia de oxígeno en un medio. Los microorganismos que crecen en ausencia de oxígeno se les llama “anaerobio”. Ascospora: Espora de origen endógeno que resulta de la cariogamia y meiosis sucesivas, siempre está contenida dentro de un asco. Presenta forma, tamaño, tabicación y coloración variables. ATP: Es el Adenosín TriFosfato. Es una molécula que se utiliza como un portados de energía muy útil, pues puede intervenir en la mayoría de los procesos celulares. Se encuentra frecuentemente involucrado en la realización de procesos que requieren su separación en varias fases (ADP, AMP) que ocurren en diferentes lugares o a diferentes tiempos. Bagazo de caña: Residuo industrial procedente de la molienda de la caña de azúcar, rico en compuesto celulósicos. Biocarburante: Carburante biológico empleado como combustible en los motores de explosión y combustión interna. Biocombustible: Término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa, organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos. Biodiesel: Biocarburante líquido producida a partir de los aceites vegetales, y grasas animales. Bioetanol: Alcohol etílico o etanol, producto químico producido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales tales como cereales, remolacha, caña de azúcar o biomasa. Biomasa: Materia orgánica que se produce en las plantas verdes a través del proceso de fotosíntesis, así como en la originada en los procesos de transformación de la primera. considerando tanto los que se producen de manera natural, como de forma artificial. Está formada por la extracción irreversible del agua de los azúcares, creando compuestos aromáticos. Biorreactor: Es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. en algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Bosque primario: Bosque en su mayor parte inalterado por actividades humanas. Bosque natural. Calentamiento global: Aumento de la temperatura de la tierra debido al uso de combustibles fósiles y a otros procesos industriales que llevan a la acumulación de gases de efecto invernadero. - - - - - - 77 - Canola: También conocida como colza, raps o nabicol (Brassica napus). Es una planta de la familia de las Brassicaceae con flores de color amarillo brillante, cultivada en todo el mundo para producir forraje, aceite vegetal para consumo humano y Biodiesel. Carbón mineral: Sustancia fósil, dura, butinosa y térrea, de color oscuro o casi negro, que resulta de la descomposición lenta de la materia leñosa, y arde con menos facilidad, pero da más calor que el carbón vegetal. Catalasa: Es una enzima que se encuentra en organismos vivos y cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno (H2O2) en oxígeno y agua. Celulosa: Polisacárido complejo, compuesto exclusivamente de glucosa, es pues, un homopolisacárido (compuesto por un solo tipo de monosacárido). Es rígido, insoluble en agua y contiene desde varios cientos hasta miles de unidades de β-glucosa. Es la biomolécula orgánica más abundante ya que forma la mayor parte de la biomasa terrestre. Cepa: En microbiología y genética, una cepa es una variante genotípica de una especie o, incluso, de un taxón inferior, usualmente propagada clonalmente, debido al interés en la conservación de sus cualidades definitorias. Conjunto de microorganismos que derivan de progenitores bien definidos, poseen una dotación genética similar y conserva ciertas características que mantienen durante varias generaciones. CO: Monóxido de carbono. CO2: Dióxido de carbono. Colonia: Grupo de individuos de la misma especie que viven en estado de asociación. En micología, el término designa al conjunto de hifas que crecen a partir de un solo punto y forman un talo redondeado o globoso. Conferencia de Kyoto: o Protocolo de Kyoto. Reunión, en diciembre de 1997, de representantes de los países de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático, creada en el seno de la Cumbre de la Tierra, celebrada en Río de Janeiro en 1992. Establece que los países desarrollados deben reducir sus emisiones de gases causantes del efecto invernadero en un 5,2% para el año 2012 respecto a las emisiones del año 1990. Sin embargo, este protocolo debe de ser ratificado por al menos 55 países desarrollados cuyas emisiones de gases de efecto invernadero sumen entre sí el 55% del total. CONVEAGRO: Convención Nacional del Agro Peruano. Diploide: Son las células que tienen un número doble de cromosomas (2n), a diferencia de un gameto, es decir, poseen dos series de cromosomas. Efecto invernadero: Término que se aplica al papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre. Elevación de la temperatura de la atmósfera próxima a la corteza terrestre, por la dificultad de la disipación de la radiación calorífica debido a la presencia de una capa de óxidos de carbono procedentes de las combustiones industriales. Energía biológica: Se refiere a la energía renovable, también llamada energía alternativa o blanda. Este término engloba a una serie de fuentes energéticas que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. 78 - - - - - - - - Enzima: Es una sustancia proteínica que producen las células vivas y que actúa como catalizador en los procesos del metabolismo. Es específica para cada reacción o grupo de reacciones. ETBE: Etil terbutil éter, aditivo de la gasolina, que mejora el número de octano y puede sustituir al MTBE. Fuentes renovables: Son fuentes biológicas productoras de materia prima y energía que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. Gas natural: Combustible procedente de las formaciones geológicas y compuesto principalmente por metano (CH4). Inodoro en su estado natural, proviene de la descomposición de compuestos orgánicos. Gases de efecto invernadero: Son gases contaminantes emitidos en gran medida por la actividad industrial humana; entre estos gases tenemos el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el metano, el óxido nitroso, los clorofluorocarbonados (CFC) y el ozono. Estos gases están relacionados con el calentamiento global. Gemación: Forma de reproducción asexuada de las levaduras (Ascomycotina). En el proceso el citoplasma de la célula madre empuja la membrana celular hacia fuera para dar lugar a un brote o yema que luego se separará para dar una célula hija. Haploide: Es aquella célula que contiene un solo juego de cromosomas o la mitad (n = haploide) del número de cromosomas en células diploides (2n = diploide). Hidrólisis: Es la descomposición de compuestos orgánicos por la interacción del agua. Descomposición química de un compuesto por acción del agua en productos más simples. Hidromiel: Es una bebida alcohólica fermentada a base de miel y agua. Hopanoides: Son compuestos pentacíclicos similares a los esteroles, cuya función principal es mejorar la fluidez de la membrana plasmática en los procariotas. Indol: Es un compuesto orgánico heterocíclico, con estructura bicíclica que consiste en un anillo de seis miembros (benceno) unido a otro de cinco miembros (pirrol). Es usado para identificación bioquímica de diversos microorganismos. Invertasa: Enzima que cataliza la hidrólisis de la sacarosa a glucosa y fructosa, frecuentemente a esta reacción se denomina “inversión”. La invertasa se puede obtener de las propias células de levadura. Lignina: Es un péptido presente en las paredes celulares de organismos del Reino Plantae y también en Dinophytas. Proviene del latín lignum, que significa madera; así que las plantas que tienen gran cantidad de lignina se les denomina leñosas. Es el polímero natural más complejo en relación a su estructura y heterogeneidad. Melaza: Es un producto líquido espeso derivado de la caña de azúcar y en menor medida de la remolacha azucarera, obtenido del residuos restante en las cubas de extracción de los azúcares. 79 - - - - - - - - - - - Metabolismo: Es el conjunto de reacciones y procesos físico-químicos que ocurren en una célula. Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a nivel molecular y permiten las diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estímulos, etc. Metanol: Alcohol cuya molécula tiene un átomo de carbono. Es un líquido incoloro, semejante en su olor y otras propiedades al alcohol etílico. Es tóxico. Mezcla azeotrópica: o azeótropo; es la mezcla de temperatura de ebullición de máxima o de mínima. Mol: Unidad de sustancia empleada en el sistema Internacional de Unidades, definida como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantos entes elementales como átomos hay en 0,012 Kg del nucleído carbono-12, o como la cantidad de una sustancia cuyo peso en gramos equivale a su número atómico. Mosto: En particular se lo conoce así al zumo o jugo obtenido del estrujado de la uva, que será luego utilizado para el proceso de fermentación. En términos generales sería cualquier jugo, zumo de frutas o cualquier otra elemento extraído en estado acuoso que luego será usado para la fermentación y producción de etanol. MTBE: Metil terbutil éter, aditivo de la gasolina, que mejora el número de octano. Se obtiene a partir del petróleo. NADH: Es la Dinucleótido de Nicotinamida Adenina Reducida (por la presencia del H+). Es una coenzima que contiene la vitamina B3 y cuya función principal es el intercambio de electrones e hidrogeniones en la producción de energía de todas las células. Octanaje: También llamado número de octano. Es la capacidad antidetonante de una gasolina; propiedad que asegura la estabilidad al encendido de la gasolina hasta el momento en que salta la chispa. Una gasolina con un octanaje menor al requerido por el motor, no soporta las condiciones de presión y temperatura de la cámara, autoinflamándose antes de la aparición de la chispa de la bujía. OPEP: Organización de Países Exportadores de Petróleo, organización internacional que se ocupa de coordinar las políticas relativas al petróleo programadas por sus países miembros. Fundada en 1960, constituida por los sgtes. países: Arabia Saudita, Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Indonesia, Irak, Irán, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar y Venezuela. Oxidasa: Es una enzima que cataliza una reacción de oxidación/reducción envolviendo oxígeno molecular (O2) como aceptor de electrones. En estas reacciones el oxígeno se reduce a agua o a peróxido de hidrógeno. Las oxidasas son una subclase de las oxidorreductasas. Petróleo: Líquido oleoso bituminoso de origen natural compuestos por diferentes sustancias. También recibe el nombre de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente “crudo”. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se utiliza como combustible y materia prima para la industria química. Piñón: Arbusto del género Jatropha, oriunda del oeste de Sudamérica, actualmente distribuida hasta México por el norte y Bolivia por el sur. Es un arbusto perenne fácilmente de propagar mediante sus tallos maduros o sus - - - - - - - - 80 semillas. Sus tallos pueden ser utilizados para obtener pulpa para papel, de su semillas se puede obtener un aceite de uso industria. Pulque: Es una bebida alcohólica que se fabrica a partir del jugo fermentado del maguey, especialmente del maguey pulquero (Agave salmiana). Es una bebida tradicional mexicana. Recombinante: Célula u organismo que resulta de la recombinación de genes en la molécula de ADN, independientemente de si se ha producido de forma natural o por medios artificiales. Sacarosa: Componente principal del azúcar de mesa, es un disacárido formado por una molécula de glucosa y otra de fructosa. Su nombre químico es alfa-Dglucopiranosil (1->2)-beta-D-fructofuranósido y su fórmula química es: C12H22O11. YP/S: Coeficiente de rendimiento de producto. YX/S: Coeficiente de rendimiento celular (biomasa). - - - 81 9. ANEXOS: Reservas y recursos de combustibles fósiles y “combustibles nucleares en el mundo* Grupo Primero Combustible fósil y “combustible nuclear” Petróleo Gas natural Sólidos (carbones) Uranio Petróleo pesado + Arenas asfálticas + Pizarras bituminosas Urânio Tório Deuterio Reserva (tec#) 1,4 x 1011 1,0 x 1011 6,8 x 1011 6,8 x 1010 5,0 x 1011 6,1 x 1012 3,4 x 1012 --Recurso (tec) 4,4 x 1011 3,4 x 1011 1,0 x 1013 1,2 x 1011 5,0 x 1011 2,3 x 1013 3,4 x 1017 Segundo Tercero # *Adaptado de Camps et. al. 2002. tec= Tonelada equivalente de carbón = 2,93 x 1010 J = 7 x 109 cal = 7 x 106 kcal Energía primaria y final en el mundo por fuente (1992)* Energía primaria Combustibles sólidos (carbones y otros) Petróleo Gas Total combustibles fósiles Nuclear Renovables Total # Mtep # 2121 3224 1781 7126 % 14 21 11 45 Energía final Combustibles sólidos Petróleo Gas Electricidad Calor Biomasa Mtep 812 2334 1036 858 164 497 % 14 41 18 15 3 9 510 848 15610 3 6 100 Total 5701 100 *Tomado de Ca mps et. al. 2002. Mt ep = M e ga t onel ada equi val ent e de pet ról eo Algunas externalidades puestas de manifiesto en sector combustible fósiles* Gastos militares Suciedad en ciudades Petróleo y derivados Cauces de agua contaminados Lluvia ácida Gases de efecto invernadero Lluvia ácida Carbón Gases de efecto invernadero Suciedad en ciudades Gas natural Explosión de gaseoductos Obtenido de Ca mps et. al. 2002. 82 Tipo de transformación para obtener un Biocombustible a partir de Biomasa* Transformación Física Física y química (a veces) Proceso Fragmentación Fragmentación Secado Compactación Fragmentación Carbonización Fragmentación Diferentes procesos químicos Fragmentación Hidrólisis ácida o Hidrólisis básica Alcoholización Fragmentación Procesos físicos y/o químicos de obtención de aceite Fragmentación Obtención de aceite Esterificación Gasificación Biocombustible Leñas y astillas Pelets y briquetas Carbón vegetal y briquetas de carbón vegetal Líquido piroleñoso Líquido de hidrólisis Bioetanol Aceite biológico Físico-químico Metiléster Biogás Tomado de Ca mps et. al. 2002 Sistemas de tratamiento de los residuos de la destilación* Método de tratamiento Uso directo sobre la tierra Digestión anaerobia Evaporación hasta un jarabe alimentación animal Evaporación y combustión del jarabe a Tipo de residuo a M G C M C G M C G M C G Wt% DS en los residuos de la destilación 9-16% Hasta 9% Más del 16% Reciclamiento Convencional b Fermentación b del residuo b 1 1 1 3 2 2 3 2 2 1 2 3 1 1 2 1 1 2 3 2 3 3 3 3 2 1 2 2 3 2 1 1 2 1 2 1 *Adaptado de Bu ’lock y Kristiansen, 1991. M= melaza; G= granos; C= yuc a 83 b 1. Considerado económica y técnica me nte adecuado 2. La viabilidad económica y técnica dependen de las condiciones particulares y los usos finales 3. Considerado económica y técnica mente inadecuado Diferentes necesidades para la biosíntesis de los compuestos celulares de S. cerevisiae cultivada en medio mínimo glucosado* Necesidades (mmol) para la síntesis de 1 Glucosa mmol de: Polisacárido 1 monómero Proteína monómero 0,9 ARN monómero 1,5 Fosfolípido 10 Triglicérido 12 (3) 1 g de: levadura 7 NH 4 + Pi SO 4 2 ATP 2 1,3 3,6 0,8 6 0,016 1 1,2 0,4 0,06 4,3(1) 9,5(2) 1,2 -2 23 2,6 2 33 45 13 1,8 -1,7 32 38 9 NAD + NADPH *Adaptado de Leveau y Bouix, 2000. Los val ores negat i vos corr es ponden a una producci ón en l ugar de un cons um o. (1) 0,3 AT P pa ra l a sí nt es i s del AA y 4ATP par a l a pol i m eri z aci ón. (2) 7,5 AT P pa ra l a sí nt es i s del nucl eót i do y 2 ATP par a l a pol i m eri z aci ón . (3) Es t a bi om as a es t á form ada por: 38% de pol i s acá ri do (2,4 m m ol de m onóm ero), 40% de prot eí na (3,6 mm ol de m onóm ero ), 10% de AR N (0,3 m m ol de m onóm e ro), 5% de fos fol í pi dos (0,06 mm ol ), 2% de t ri gl i céri dos (0,03 mol ). El ADN Ejemplo de un Biorreactor industrial típico. 84 Esquema de un quimiostato. 1. biorreactor; 2. reservorio de medio de cultivo; SN: sonda de nivel; O2: electrodo de medición de oxígeno disuelto; pH:electrodo de medición de pH; T: termómetro. Producción anual de etanol por país (2004-2006)# Quince mayores productores* Clasificación País Mundial 1 Estados Unidos 2 Brasil 3 China 4 India 5 Francia 6 Alemania 7 Rusia 8 Canadá 9 España 10 Sudáfrica 11 Tailandia 12 Reino Unido 13 Ucrania 14 Polonia 15 Arabia Saudita Producción mundial total # 2006 4.855 4.264 1.017 502 251 202 171 153 122 102 93 74 71 66 52 13.489 2005 4.264 4.227 1.004 449 240 114 198 61 93 103 79 92 65 58 32 12.150 2004 3.535 3.989 964 462 219 71 198 61 79 110 74 106 66 53 79 10.770 *Obtenido de Wikipedia, 2008. millones de galones internacionales, todos los grados de etanol Comparación de las principales características de la industria de etanol en los Estados Unidos y Brasil* Característica Brasil Estados Unidos 85 Unidades/comentario Materia agrícola (insumo agrícola) Producción total de etanol (2007) Total de tierras cultivables Área total plantada del cultivo para producir etanol Productividad por ha plantada Balance energético (producto/insumos) Reducción emisiones gases de efecto invernadero Tiempo de restitución del carbono por uso de tierras nuevas Gasolineras con etanol disponible en el país Participación de mercado del consumo de etanol Costo de producción (USD/galón) Subsidio agrícola (en USD) Aranceles de importación (en USD) Azúcar 5.019,2 355 3,6 (1%) 6.800 – 8.000 8,3 a 10,2 veces Maíz 6.498,6 270(1) 10 (3,7%) 3.800 – 4.000 1,3 a 1,6 veces Millones de galones líquidos EUA Millones de ha Millones de ha (% total arable) L etanol/ha producidos Relación de la energía obtenida del etanol/energía gastada en su producción % de emisiones evitadas al sustituir gasolina, sin cambios en uso del suelo Escenarios con cambios en el uso del suelo 86 – 90%(2) 17 años(3) 33.000 (100%) 50%(4) 10 – 30%(2) 93 años(3) 873(0,5%) 4% 0,83 1,14 0 0 0,51/galón 0,54/galón % del total de gasolineras existentes en el país. EUA tiene 170.000 % de consumo total en base volumétrica. Abril 2008 para brasil y año 2006 para EUA 2006/2007 para Brasil (22 ¢/L), 2004 para EUA (35 ¢/L) Brasil no importa etanol, EUA si importa, la mayoría de Brasil *Adaptado de Wikipedia, 2008. Notas: (1) Sólo EUA contiguo, excluyendo Alaska. (2) Supone que no hay cambios en el uso del suelo. (3) Supone cambios en los usos del suelo con el cultivo de caña de azúcar en el cerrado brasileño y del maíz en la pradera central estadounidense. (4) al incluir los vehículos de motor diesel, el uso de etanol en el sector vial fue cercano al 18% en 2006. 86 Ejemplo de un complejo Agroindustrial para la producción de energía a base de caña de azúcar. Ciclo general de producción de Bioetanol 87 Características de los alcoholes en comparación con la gasolina* Propiedad Fórmula química Peso molecular Densidad a 20 ºC Relación estequeométrica % carbono (en peso) % hidrógeno (en peso) % oxígeno (en peso) Ebullición (principio) (final) Ebullición (final) (ºC) Calor latente de vaporización (Kcal/Kg) Autoignición (ºC) Poder calorífico inferior (Kcal/Kg) Calor de combustión mezcla Índice de octano (RM) Índice de octano (MM) Efecto de sobre alimentación (%) Grado alcohólico en volumen Gasolina (CH)X 114 0,73 15,2/1 84 16 40 250 90 367 10.500 0,860 73 73 1,68 Etanol anhidro C2H5OH 46 0,79 9,0/1 52 13 35 78,3 78,3 216 550 6.400 0,815 106 89 7 99,5 Etanol hidratado C2H5OH19H20 0,81 8,3/1 78,2 78,2 273 580 5.952 0,815 110 92 9 95 Metanol CH3OH 32 0,79 6,45/1 37,5 12,5 50 65 65 270 570 4.600 0,760 110 90 14 99,5 *Obtenido de Camps et. al. 2002. 88