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Agrociencia

On-line version ISSN 2521-9766Print version ISSN 1405-3195

Agrociencia vol.52 n.7 México Oct./Nov. 2018

 

Ciencia de los alimentos

Materias primas usadas para la producción de etanol de cuatro generaciones: retos y oportunidades

L. Alexis Alonso-Gómez1 

L. Arturo Bello-Pérez1  * 

1 Instituto Politécnico Nacional- CEPROBI, Carretera Yautepec-Jojutla Km 6, Calle Ceprobi 8, Colonia San Isidro, 62731 Yautepec, Morelos, México. labellop@ipn.mx


Resumen

El problema de disminución de las reservas de combustibles fósiles y la generación de contaminantes debido a su combustión, han provocado la búsqueda de combustibles alternativos como el etanol. En varios países se usa el etanol producido desde caña de azúcar y maíz, mezclado con la gasolina, como combustible para los vehículos de transporte. Esto ha disminuido la generación de contaminantes y la dependencia de los precios internacionales del petróleo, sobre todo en países que no lo producen. Para producir etanol se buscan materias primas de bajo costo como los residuos lignocelulósicos, cultivos agrícolas con alto contenido de almidón, algas y otras fuentes. En este ensayo se hace un análisis de las cuatro generaciones de materias primas para producir etanol, se mencionan los intereses actuales de investigación en los procesos de transformación, así como las alternativas para mejorar procesos de producción, con la finalidad de tener etanol carburante a menor costo.

Palabras clave: etanol; almidón; combustible; energía

Abstract

The problem of depletion of fossil fuel reserves and the generation of pollutants from their combustion has sparked a search for alternative fuels such as ethanol. In several countries, ethanol produced from sugarcane and maize is mixed with gasoline and used as fuel for transport vehicles. This has decreased generation of pollutants and dependence on international oil prices, especially in countries that do not produce oil. To produce ethanol, low-cost raw material, such as lignocellulosic residues, agricultural crops with a high starch content, algae and others have been tested. In this essay, we analyze four generations of raw material for ethanol production. We mention current research interest in transformation processes and alternatives to improve production processes to yield ethanol fuel at a lower cost.

Key words: ethanol; starch; fuel; energy

Introducción

El mundo afronta el hecho de que la población aumenta vertiginosamente y en la misma medida crece el nivel de industrialización, y el consumo de recursos no renovables como petróleo y sus derivados. Con el uso de los derivados del petróleo se genera impacto ambiental y presión sobre los recursos naturales renovables. Para desligar el crecimiento económico del uso de combustibles fósiles, así como la contaminación ambiental debida a su combustión, ha aumentado el interés en el aprovechamiento de los recursos renovables para la obtención de energía, lo que se conoce como energías alternativas (Plaza Castillo et al., 2015). Un recurso renovable es la biomasa generada por los organismos fotosintéticos (autótrofos), que almacenan la energía en forma de azúcares que se pueden transformar a etanol para uso como biocombustible por medio del proceso de fermentación. Para disminuir la competencia por las tierras de cultivo que pueda existir entre los recursos renovables y la agricultura para alimentos, se buscan fuentes no convencionales (de bajo costo), subproductos y materias primas no usadas para alimentación humana o animal, con alto contenido de almidón o azúcares fermentables (Hernández-Uribe et al., 2014; Hoyos-Leyva et al., 2017).

A escala comercial, Brasil y EUA han implementado de manera masiva y exitosa el etanol como combustible alternativo y han mostrado que puede ser competitivo con la gasolina en precio y energía (Chandel et al., 2014). En EUA, el 96 % del mercado de gasolina es E10 (10 % v/v de etanol con 90 % v/v de gasolina) y el etanol generado desde almidón de maíz comprende cerca de tres cuartas partes de la producción de biocombustibles del país, pero el inconveniente es provenir desde una materia prima de uso alimenticio (Schwab et al., 2016). Para los Vehículos Flex Fuel (VFF) existe la mezcla E85 que contiene 51 a 85 % de etanol, según la estación y la zona geográfica. Hasta marzo del 2016 habían 3101 estaciones de servicio que vendían E85, y 16.8 x106 VFF registrados en todo EUA (US Department of Energy, 2016). Brasil obtiene la mayor parte del etanol desde caña de azúcar y en el 2014 había 448 unidades funcionales de producción de etanol de primera generación (1G). El 80 % de los vehículos livianos de Brasil son VFF y la producción de etanol en el 2014 satisfacía toda la mezcla E25 (25 % v/v con 75 % v/v de gasolina) por lo que se redujo la importación de 550 x106 barriles de petróleo (ANP, 2014).

Las políticas regionales y tratados internacionales para mitigar los efectos del cambio climático reflejan el esfuerzo de los gobiernos para impulsar la producción y uso de etanol. Por lo tanto, hay un aumento en la producción de este biocombustible, debido en parte a sus balances energéticos positivos y la neutralidad en cuanto a la generación de CO2, que son ventajas demostradas en las tecnologías de primera generación. Entre 2007 y 2010 la producción de etanol casi se ha duplicado (Cuadro 1), lo que está liderado desde la década de 1970 por Brasil con la caña de azúcar, pero fue superado por EUA donde se usa maíz procesado por molienda seca y en menor proporción otros cereales como el sorgo (Linton et al., 2011).

Cuadro 1 Producción anual de bioetanol por país o región (m3 x 106). 

País 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
EUA 24.7 35.2 41.4 50.3 52.7 50.3 50.3 54.1 56.0 59.6
Brasil 18.9 24.5 24.9 26.2 21.1 21.1 23.7 23.4 26.8 28.2
Europa 2.1 2.7 3.9 4.5 4.4 4.4 5.2 5.5 5.2 5.3
China 1.8 1.9 2.0 2.0 2.1 2.1 2.6 2.4 3.1 3.2
Canadá 0.8 0.8 1.1 1.3 1.7 1.7 1.9 1.9 1.6 1.7
Resto del mundo 1.2 1.5 3.5 3.7 2.6 2.8 2.7 5.6 4.3 5.0
MUNDO 49.6 66.7 76.8 88.2 84.8 82.5 86.6 93.0 97.0 103.1

Adaptada de: U.S. Energy Information Administration (2017).

En 2012, la producción promedio de etanol combustible en el mundo fue 232,000 m3 d-1, de los cuales 138,408 m3 d-1 (59.5 %) se producían en EUA, y 63,374 m3 d-1 (27.4 %) en Brasil (ANP, 2014). La producción de etanol en EUA en 2013 fue 134,588 m3 d-1, en 2014 fue 145,818 m3 d-1, y en 2015 fue 151,649 m3d-1. En 2015, el consumo de etanol en EUA fue 143,780 m3 d-1, y para 2016 y 2017 se pronosticó un consumo de 156,240 m3 d-1 el cual se estima asumiendo una mezcla del 10.0 % en esos años (U.S. Energy Information Administration, 2016b), con base en la tendencia reportada por el Petroleum Supply Monthly de que la mezcla de etanol aumentó de 9.8 % en 2013 a 9.9 % en 2015 (U.S. Energy Information Administration, 2016a).

Otra razón del uso del etanol como combustible para el transporte mezclado con las gasolinas, es que esa mezcla no necesita la adición de Metil Terbutil Éter (MTBE), cuya función es actuar como oxigenante (Solomon et al., 2007). El MTBE está asociado con problemas de salud, ya que la combustión de la gasolina con MTBE provoca irritación de los ojos y daño en las vías respiratorias. Esto ha llevado al estudio de producción de etanol en las diferentes etapas de su producción, que incluye las diferentes materias primas y los microorganismos.

De 9659 documentos encontrados en Scopus desde el 2007 hasta el 2017 con las palabras claves ethanol y biomass, 1063, 1071, 970, 979 y 1014 corresponden a 2013, 2014, 2015, 2016 y 2017, respectivamente. Además, EUA, China, Brasil e India, son los países que más han publicado con 2737, 1236, 791, 605 documentos en este mismo periodo, respectivamente. Cerca de 740 resultados sobre patentes contienen las palabras ethanol, anhydrous, biomass y fermentation desde el 2010 hasta el 2017.

Las materias primas utilizadas para la producción de etanol carburante pueden variar, lo cual depende de la estructura vegetal y la forma en que almacenan la energía: los tallos de la caña de azúcar la almacenan en forma de sacarosa, y para su uso en el 2013 se cultivaron cerca de 8.6 millones ha en Brasil con un rendimiento promedio de 70 t ha-1, con un total anual de 596 millones t de caña para producir etanol (Alves et al., 2018). Los granos de maíz almacenan la energía en forma de almidón; en el 2017 el uso de etanol combustible a partir de maíz en EUA fue de 57 mil millones L año-1 (Liu et al. 2017). Los residuos de cultivos como la paja del trigo o los tallos del maíz (rastrojo), almacenan la energía en forma de carbohidratos complejos como la celulosa y hemicelulosa. Así, las características de las materias primas determinan los pretratamientos y tratamientos necesarios para la obtención de los azúcares fermentables y su conversión a etanol por microorganismos.

La mayoría de los documentos revisados muestran resultados de investigación y avances en rendimientos de etanol desde materias primas lignocelulósicas (2ª generación, 2G), o con organismos con rápida generación de biomasa (3ª generación, 3G), o con microorganismos genéticamente modificados (4ª generación, 4G). Existe incertidumbre sobre la probabilidad de que los procesos usados para producir biocombustibles 2G, 3G y 4G cumplan con los rendimientos esperados. Ahora hay barreras técnicas y económicas no superadas, sobre todo para los biocombustibles 2G en adelante, ya que estos serán competitivos con los combustibles fósiles cuando se puedan producir a gran escala y con menores costos por unidad de energía. Según Cheng y Timilsina (2011), la principal barrera para el desarrollo de los biocombustibles 2G son los costos de producción altos en la etapa de pretratamiento, el costo alto de las enzimas usadas para hidrolizar los materiales lignocelulósicos y la dificultad para realizar la conversión de los azúcares de 5 carbonos a etanol. Para el etanol 3G, la dificultad para su comercialización está en el costo de la cosecha de las algas y los problemas que generan las algas contaminantes (Cheng y Timilsina 2011). Para etanol 4G hay vacíos en el conocimiento acerca de predecir el comportamiento de los microorganismos genéticamente modificados, potenciar sus características deseables y mantenerlas sin cambio con el tiempo (Peralta-Yahya et al., 2012).

El objetivo de este ensayo es mostrar, analizar y discutir la información para la producción de etanol, en específico sobre las materias primas utilizadas en las diversas generaciones de su producción. En particular, se resaltan las ventajas y desventajas, así como las tendencias evolutivas de este proceso biotecnológico.

Materias primas

Primera generación

La obtención del alcohol es mediante el proceso de fermentación de los azúcares presentes en diferentes materias primas, que puedan ser metabolizados por microorganismos del género Saccharomyces, Zymomonas, Kluyveromyces, y Zygosaccharomyces (Cuadro 2).

Cuadro 2 Microorganismos utilizados en la producción de etanol 

Microorganismo empleado Sustrato Referencia
Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombae Melazas, jugo de caña,
remolacha azucarera, naranja
y arroz
(Jayaraman et al., 2017)
Zymomonas mobilis mutant Jugo de caña (Rofiqah et al., 2017)
Saccharomyces Diasticus Jugo de anacardo (Karuppaiya et al., 2012)
Pichia stipitis NRRL-Y-7124 Saccharomyces cerevisiae RL-11 Kluyveromyces fragilis Kf1 Residuos de la industria del
café
(Mussatto et al., 2012)
Aspergillus awamori Rhizopus japonicus Zymomonas mobilis Almidón de papa (Liu y Lien, 2016)
Zygosaccharomyces rouxii Kluyveromyces marxianus Ogataea (Hansenula) polymorpha Dekkera bruxellensis Pichia kudriavzevii Zygosaccharomyces bailii N/A (Radecka et al., 2015)

Materias primas con azúcares fermentables disponibles.

Estos azúcares están presentes en la caña de azúcar, la remolacha azucarera y el sorgo dulce. El uso de estas materias primas solo requiere la molienda, la fermentación, la destilación, y la desnaturalización (para que no sea apto para consumo humano); además, para su utilización en mezclas con gasolina se debe deshidratar (Solomon et al., 2007), lo cual es necesario para desplazar su punto azeotrópico. Los métodos de deshidratación son la adsorción con tamices moleculares, la pervaporación, la destilación al vacío, la destilación extractiva con solventes o con sales o con ambos a la vez. El etanol también se deshidrata con procesos híbridos que combinan dos o más de los procesos anteriores (Uyazán et al., 2004).

En Brasil se investiga la disminución de los costos de producción del etanol mediante integración en el uso de la energía y sistemas de cogeneración en las plantas de producción (Cortes-Rodríguez et al., 2018), y la disminución en gastos de vapor y agua (Pina et al., 2017), o el uso del bagazo de la caña en la integración de los procesos de producción de etanol de primera generación (1G) y de segunda generación (2G), que es con el uso de sustratos lignocelulósicos (como se discutirá más adelante), y el uso del sorgo dulce como materia prima complementaria, sembrado en zonas aledañas a la caña y cosechado entre los ciclos del cultivo principal (Jonker et al., 2015); así como el desarrollo sostenible y la actualización de las tecnologías de biorefinerías para producir bioelectricidad (Khatiwada et al., 2016). Después de más de 50 años de experiencia con etanol 1G, los avances se orientan más en la optimización del uso integral de las materias primas y los subproductos de los procesos, en la integración de los procesos de primera generación con los de segunda generación, en el análisis de los efectos de las variedades de una misma materia prima, las condiciones del cultivo, las épocas y los métodos de cosecha, y los tiempos de almacenamiento de la materia prima, sobre los rendimientos del etanol (Gumienna et al., 2016; Dos Passos Bernardes et al., 2016). Un aspecto importante es la recolección mecanizada de la caña de azúcar, la cual aumenta la presencia de compuestos inorgánicos como potasio, calcio, silicio, hierro y cobre, comparado con el proceso tradicional de quema y corte manual. Thai et al. (2012) reportaron un aumento de 13 % en calcio, 32 % en magnesio y 7.6 % en silicio en el jugo de la caña de recolección mecanizada con respecto a la quema y corte tradicionales. Estos minerales afectan la fermentación, porque el magnesio aumentó los rendimientos de etanol, pero el exceso de cobre lo disminuyó a 0.35 g g-1 (Costa et al., 2015).

El interés en el sorgo dulce y otros tipos de sorgo para la producción de etanol ha aumentado. Este cultivo se desarrolla con poca cantidad de agua (comparado con otros cereales) y tiene una elevada eficiencia fotosintética para la conversión de CO2 a biomasa; además, el contenido de azúcares totales del jugo del tallo del sorgo dulce es comparable con los del jugo de caña de azúcar (Chuck-Hernandez et al., 2012). En la cosecha y la molienda del sorgo dulce se ha adaptado la maquinaria del proceso de la caña de azúcar, por lo que Peralta-Contreras et al. (2013) propusieron el diseño de maquinaria específica para los tallos del sorgo dulce que mejore los índices de extracción de jugo. El sorgo tiene muchas cualidades, pero el alto contenido de humedad (70 %) y la baja densidad aparente limitan las distancias en las que es rentable su transporte después de la cosecha (Chuck-Hernandez et al., 2012; Zegada-Lizarazu y Monti 2012). Además, la conservación de los azúcares en los tallos de sorgo se dificulta porque las bacterias autóctonas del cultivo como el Leuconostoc, degradan gran proporción de azúcares durante el transporte y almacenamiento, y se han probado inhibidores del crecimiento de Leuconostoc durante el transporte del sorgo, uno de ellos es el gas de SO2; sin embargo, el almacenamiento del gas en tanques herméticos en los lugares de acopio del sorgo, así como su eliminación al llegar a la planta de procesamiento, lo convierten en un sistema costoso (Lingle et al., 2012).

Los jugos dulces ya extraídos pierden 20 % de su contenido de azúcares fermentables en 3 días a temperatura ambiente y de 40-50 % en 7 días (De Oliveira Filho et al., 2016). Otros aspectos afectados son la disminución del pH, el aumento en la acidez total y en la cantidad de azúcares reductores. Además, la presencia de acetato de etilo, acetaldehído y carbamato de etilo en los jugos dulces tienen un efecto negativo en la fermentación, lo que produce rendimientos bajos (De Oliveira Filho et al., 2016). Los jugos con el uso de molinos deben ser filtrados, clarificados y pasteurizados. La filtración es para retirar fracciones lignocelulósicas, hojas, tierra y otros contaminantes de la etapa de recolección. La clarificación se hace para eliminar los compuestos inorgánicos, y la pasteurización elimina los microorganismos presentes. En la clarificación se usa sedimentación, sulfatación y carbonatación, que generan subproductos conocidos como lodos. Para generar lodos de clarificación menos contaminantes se utilizan productos naturales como los extractos de hojas y semillas de Moringa oleífera Lam., los cuales producen una mayor remoción de hierro y calcio en comparación con los polímeros sintéticos (Costa et al., 2015). El tratamiento con altas presiones (600 MPa 6 min-1) es otro método para eliminar microorganismos e inactivar enzimas de los jugos dulces sin usar temperaturas altas (Huang et al., 2015), así como el calentamiento óhmico por 1 min y 32 V cm-1, el cual se probó para la inactivación de la polifenoloxidasa y la reducción de microorganismos (Saxena et al., 2016). Los métodos de altas presiones y calentamiento óhmico mantienen estable la calidad del jugo e inhiben la actividad enzimática, lo que aumentó su vida útil en condiciones de almacenamiento. Por lo tanto, la búsqueda de métodos de conservación de materias primas y los jugos dulces por largos periodos, sin pérdida de los azúcares fermentables, requieren estudios adicionales.

La tecnología de primera generación se aplica industrialmente desde hace 40 años, por lo que además de los estudios ya mencionados, hay muchos relacionados con el análisis de los problemas ambientales que esta tecnología genera. Entre estos problemas está la biomasa producida, separada en el proceso de destilación y conocida como vinaza, y se genera una relación de 12 L vinaza L-1 etanol (Silva et al. 2007). La vinaza es un líquido con partículas en suspensión, con pH ácido y alta demanda química de oxigeno (DQO) por la materia orgánica presente. Hace 40 años la vinaza era un residuo líquido muy contaminante que causaba serios problemas ambientales en los mantos acuíferos donde se descargaba, y su disposición final era un problema por la poca tecnología para tratarlo y los altos costos; esto cambió porque surgieron nuevas tecnologías con mejores resultados que disminuyeron los costos de operación. Para el tratamiento de los residuos de la fermentación alcohólica se han probado métodos fisicoquímicos, químicos y biológicos, y los últimos son los más apropiados por la gran cantidad de compuestos orgánicos biodegradables presentes en su composición (Sheehan y Greenfield, 1980). Varias alternativas se han propuesto para el tratamiento o reutilización de las vinazas entre los que se encuentra su uso para alimentación de pollos (Hidalgo et al. 2009), producción de biogás (Cruz-Salomón et al., 2017), o fertirriego (Mijangos et al., 2014). Además, se han creado métodos estandarizados de análisis de ciclo de vida para determinar las entradas y salidas de energía, evaluar la generación de subproductos y residuos en toda la cadena de suministro, y minimizar los impactos desde el establecimiento del cultivo hasta el consumo del etanol combustible (Cavalett et al., 2012; Gallejones et al., 2015; Miret et al., 2016).

De lo anterior, se infiere que los principales intereses con las materias primas con un contenido alto de azúcares fermentables son el incremento de los rendimientos, la mejora de los balances energéticos, la diversificación de materias primas y la disminución en el impacto ambiental.

Materias primas con contenido alto de almidón

Otras fuentes usadas para obtener etanol, consideradas de primera generación, son las materias primas con contenido alto de almidón, como los cereales, tubérculos y rizomas. Para estas materias primas se deben utilizar las siguientes etapas en la producción de etanol: molienda, licuefacción, sacarificación, fermentación, destilación y deshidratación. Los países con más estudios publicados desde el 2012 hasta 2015, en el tema de etanol a partir de almidón, son China, EUA, y la India con 187, 181 y 74 documentos publicados, respectivamente. Los principales temas de investigación se centran en tres áreas fundamentales: la comprensión de los aspectos agronómicos y su efecto en los rendimientos de etanol, nuevas operaciones en los procesos industriales, y nuevas técnicas de laboratorio para predecir contenidos de almidón y rendimiento de etanol.

En agronomía resalta el estudio de maíz y sorgo con varios enfoques, sobre todo en el rendimiento final del etanol; por ejemplo, los efectos del déficit de irrigación (Liu et al., 2013), el contenido de humedad al momento de la cosecha (Huang et al., 2012), infecciones fúngicas y la madurez de cosecha (Dien et al., 2012). En otros cereales se analizó el arroz transgénico con contenido alto de carbohidratos para evaluar sus rendimientos en etanol (Kim et al., 2015).

En la industria, el método más usado para fragmentar los cereales es la molienda seca (Orts y McMahan 2016), en la cual los granos de cereales enteros son convertidos en harinas, que son procesadas sin separar todos los componentes del grano. Las harinas son mezcladas con agua para formar una masa y se agregan α-amilasa, pululanasa y amiloglucosidasa para convertir el almidón en glucosa, a este proceso se adiciona amoniaco como fuente de nitrógeno para la levadura y para controlar el pH del sistema. Esta mezcla con alto contenido de glucosa es convertida en etanol por acción de la levadura, mientras el residuo sólido, con alto contenido de fibra, lípidos y proteína, es tostado y convertido en un subproducto conocido como granos gastados de destilería (DDG, por sus siglas en inglés) o granos gastados de destilería con solubles (DDGS, por sus siglas en inglés). Los DDG son mezclados con jarabe del proceso y se venden como suplemento para especies pecuarias. La molienda húmeda es un método menos usado por sus altos costos y consumo de agua, pero se aísla el almidón de los granos y el rendimiento de etanol es mayor (Kandil et al., 2011). La molienda seca aborda el proceso con almidón que está mezclado con lípidos y proteínas, y en los procesos de licuefacción y sacarificación estas macromoléculas disminuyen la actividad de las enzimas porque actúan como inhibidores del proceso (Srichuwong et al., 2010). Por esta razón se recomienda investigar las interacciones de los componentes no amiláceos (lípidos y proteínas) con el almidón y sus efectos durante su hidrólisis. Para entender si los pigmentos también pueden ser inhibidores del proceso, Wang et al. (2016) validaron el uso de sorgo pigmentado y determinaron que el alto contenido de antocianinas no tuvo efecto en el rendimiento de etanol.

En la etapa industrial hay métodos innovadores para extraer azúcares fermentables y carbohidratos no estructurales mediante el proceso de difusión a partir de biomasa de sorgo dulce picado y sus granos (Appiah-Nkansah et al., 2016). El proceso de molienda y la eliminación de barreras físicas que limiten la interacción de las enzimas con el almidón se ha estudiado y, según Chuck et al. (2012), el rendimiento de etanol se mejora mediante decorticación del grano de sorgo. En los estudios mencionados se comparan tecnologías de tratamiento de los cereales y los rendimientos de etanol, disminuyen los gastos energéticos y aumentan los rendimientos de etanol; pero el análisis cuantitativo de los gastos energéticos y su comparación entre las diferentes propuestas de proceso debe ser estudiado. También es necesario evaluar los balances de agua y análisis económicos del proceso, para iniciar su escalamiento industrial.

En técnicas de laboratorio resalta el desarrollo de un método práctico para la detección aproximada del contenido de almidón y de etanol mediante espectroscopia FT-NIR (Li et al., 2015). Esto podrá agilizar los análisis a escala industrial para controlar el proceso de producción de etanol de forma sistemática.

Los frutos, rizomas, raíces y tubérculos son fuentes no convencionales para extracción de almidón, usados sobre todo en países tropicales. Graefe et al. (2011) analizaron la producción de etanol a partir de plátano en Costa Rica y Ecuador. El plátano tiene ventaja sobre los tubérculos debido a su maduración y por ser climatérico, hidroliza naturalmente el almidón, por lo cual no requiere tratamiento enzimático para llegar a los azúcares fermentables (Asiedu, 1987; Bugaud et al., 2009). La producción de etanol de plátano en los estados de maduración mostró que el máximo rendimiento de etanol fue con plátanos totalmente inmaduros, inmediatamente después de cosechar; el rendimiento de etanol de plátanos sobremaduros fue 23 % menor que el de los inmaduros, lo que se atribuyó a la disminución de materia en base seca, debida a la actividad metabólica durante la maduración (Hammond et al., 1996). Debido a los resultados de mayor rendimiento se recomienda usar plátano inmaduro (verde) para producir etanol, pero hay problemas técnicos como el pelado del fruto porque la forma de los plátanos dificulta la automatización del proceso y, además, la cáscara está muy adherida a la pulpa por el estado fisiológico del fruto.

Un problema de los procesos biotecnológicos es la inhibición por producto. A medida que se realiza la fermentación alcohólica se produce etanol, el cual inhibe la ruta metabólica y se detiene el proceso de bioconversión hasta ocasionar la muerte celular. Un método usado para disminuir esta inhibición es fermentar los azúcares inmediatamente después de su liberación. Esto se logra mediante sacarificación y fermentación simultánea (SSF, por sus siglas en inglés), se producen los azúcares fermentables mediante la hidrólisis del almidón y se realiza la fermentación por la levadura en el mismo reactor. Varias materias primas se han procesado así y los resultados son mejores que con la sacarificación y fermentación por separado. Con plátanos verdes se consiguieron eficiencias teóricas de etanol superiores al 95 % en un sistema enzimático de SSF y uso de glucoamilasas, enzimas pectinolíticas y levadura (Bello et al., 2012). Como materia prima no alimentaria, se evaluó la factibilidad de una variedad de yuca no domesticada (Manihot glaziovii), con alto contenido de almidón, para la producción de etanol por medio de SSF y se obtuvieron concentraciones de etanol de 190 g L-1. Otro desarrollo tecnológico en inhibidores es la bacteria Zimomonas mobilis aislada del vino de palma africana y del pulque mexicano, presenta osmotolerancia y resistencia a las altas concentraciones de etanol, permite la fermentación a altas concentraciones, o fermentación de alta densidad (VHG, por sus siglas en inglés), cuya ventaja es tener concentraciones altas de azúcares (hasta 360 g L-1) por lo cual no presenta contaminación por otras bacterias; en estas condiciones la concentración de etanol fue 17.6 % v/v desde sorgo dulce (Deesuth et al., 2016). La integración de procesos puede presentar mejores rendimientos que los procesos individuales; así, Chu-ky et al. (2016) probaron la licuefacción, sacarificación y fermentación de alta densidad simultáneas (SLSF-VHG por sus siglas en inglés) en subproductos del arroz (arroz quebrado) y obtuvieron 83.2 % del etanol teórico.

En Brasil y Colombia se buscan nuevas fuentes y métodos para la producción de etanol. Soccol (1997) logró la degradación de gránulos de almidón crudo de yuca durante la fermentación en estado sólido con glucoamilasa de Rhizopus oryzae. Además, Cinelli et al. (2015) describieron el método de hidrólisis fría de almidones, en el cual disminuye la demanda de energía del proceso por una hidrólisis del almidón a temperaturas inferiores a su temperatura de gelatinización, es decir, con el almidón en su forma granular. Esta tecnología genera otra perspectiva del proceso por ser un método alternativo que se puede realizar sin la etapa de licuefacción, lo que se logra mediante complejos enzimáticos amilolíticos compuestos de endoamilasas, exoamilasas y enzimas desramificantes. En Indonesia, Jusuf y Ginting (2014) y Kusmiyati (2015) estudiaron la papa dulce (Ipomoea batatas L.) y el tubérculo Iles Iles (Amorphophalus campanulatus), respectivamente, como fuentes para la producción de etanol. Estos tubérculos tienen gran potencial para su transformación a etanol por su rendimiento alto por unidad de área cultivada; la papa dulce tiene un rendimiento mayor a 30 t ha-1 de tubérculo con 22.5 % almidón en base húmeda, mientras que el Iles Iles tiene la ventaja de ser económico y no se usa en la alimentación humana. Como fuente alternativa se evaluó el rendimiento de etanol desde almidón extraído del cormo del Taro (Colocasia esculenta), planta perenne de la familia Araceae, cultivada en el trópico y el subtrópico en Sudamérica, Asia, Oceanía y África (Wu et al., 2016). Con esta materia prima se lograron rendimientos de 94.2 % del etanol teórico, lo cual es atractiva para la producción de etanol.

Segunda generación

En la década pasada, la mayor parte de la investigación en combustibles líquidos fue para evaluar la comercialización de etanol producido con residuos agrícolas (rastrojo de los cultivos de cereales, hojas y ramas secas de cultivos forestales) o residuos industriales (bagazo de caña y granos gastados de destilería), compuestos principalmente por celulosa, hemicelulosa, y lignina, y estos biocombustibles son de 2G.

Una muestra de la cantidad de residuos generados por una industria y que se pueden usar para producir etanol 2G, es que las unidades de producción de etanol de Brasil procesaron de 2013 a 2014 más de 602 x106 t de caña de azúcar y produjeron 24 x 109 L de etanol. Cada tonelada de caña de azúcar procesada genera 270-280 kg de bagazo (Canilha et al., 2012), lo cual muestra el gran potencial de biomasa residual para producir etanol 2G con estos residuos lignocelulósicos.

Estos residuos son fuente para la cogeneración de calor y electricidad en las destilerías mediante procesos termoquímicos como combustión directa, pirólisis o gasificación (Henrique et al., 2014), pero su transformación bioquímica tiene ciertas limitaciones técnicas debido a la naturaleza química de los residuos lignocelulósicos, la cual es heterogénea y se tienen que aplicar pretratamientos diferentes o con ciertas modificaciones para cada materia prima. Por eso, es necesario realizar estudios en laboratorio que demuestren la factibilidad técnica de realizar la bioconversión de los residuos lignocelulósicos a etanol.

La hidrólisis enzimática de la celulosa es un paso limitante en la producción de etanol 2G, debido a que se necesitan cocteles enzimáticos complejos para su despolimerización, aunado a la complejidad del arreglo estructural de los componentes de los residuos lignocelulósicos que dificulta su hidrólisis. La lignina, un componente principal de estos residuos, forma un arreglo estructural junto con la celulosa y la hemicelulosa, que dificulta el acceso de las celulasas para realizar la hidrólisis de la celulosa hasta glucosa. Además, algunas enzimas celulolíticas suelen ser adsorbidas por la superficie hidrofóbica de la lignina y, por lo tanto, evita su acción sobre la celulosa (Huron et al., 2016). Los compuestos fenólicos (taninos) de la lignina, al ser despolimerizados se convierten también en inhibidores de la fermentación, por lo que los efectos y las interacciones de los inhibidores en los procesos de fermentación deben ser analizados y entendidos para mejorar los rendimientos de producción.

Como se mencionó en la sección de primera generación, la pulpa de plátano en estado verde o inmaduro se puede utilizar para producir etanol, pero una etapa limitante es el proceso de pelado o eliminación de la cáscara del fruto. El proceso de pelado se puede evitar porque la cáscara y la pulpa del plátano tienen contenido alto de carbohidratos (Gebregergs et al., 2016), y se ha estudiado cada parte para la producción de etanol (Parthiban et al., 2011). Por lo tanto, se puede obtener etanol desde plátanos verdes con cáscara. Pero se debe considerar que algunos carbohidratos en la pulpa y la cáscara de los plátanos verdes son polisacáridos complejos, y algunos de ellos no son metabolizados por las levaduras, por lo que es necesario hidrolizar la lignina, la celulosa y pectinas para convertirlos en azúcares simples. Este es un ejemplo donde la materia prima utilizada para la producción de etanol se encuentra en los grupos 1G y 2G.

La molienda de plátanos con su cáscara presenta problemas técnicos derivados de la alta viscosidad y presencia de fibras durante y después de la molienda (Afanador, 2005). Oberoi et al. (2011) reportaron el uso de secadores como hornos eléctricos para obtener un material seco y quebradizo, susceptible de triturado en molinos de laboratorio, pero en la industria este proceso incrementaría los costos energéticos. Aquí hay un vacío en el conocimiento con respecto a la disminución de la viscosidad en esta etapa del proceso, sin realizar un secado y molienda, o la utilización de energías alternativas (por ejemplo energía solar) para el proceso de secado.

La tecnología 2G ha dado lugar al concepto de biorefinerías, porque mediante los procesos de segunda generación se obtiene etanol y también metanol, gas de síntesis, 2.5-dimetilfurano y taninos, lo cual es un factor determinante para obtener diversos productos a partir de materias primas lignocelulósicas; en este sentido se busca la integración de las tecnologías 1G y 2G. Flório y Junior (2013) hicieron un análisis térmico de la producción de electricidad y etanol de segunda generación a partir de bagazo de caña, y se obtuvo una mejor efectividad térmica, ya que además de fermentar la sacarosa del jugo de caña y las glucosas constituyentes de la celulosa, se optimizó el proceso y se buscó fermentar las pentosas (principalmente xilosa) que forman parte estructural de la hemicelulosa. El proceso de producción de bioetanol se simuló a partir de la mezcla glucosa/xilosa y se evaluó el efecto de la temperatura, el pH y la concentración de azúcares. Las variables del proceso se reprodujeron utilizando diferentes condiciones de operación y se demostró que la simulación es una herramienta útil para generar un perfil óptimo de la fermentación alcohólica con la mezcla glucosa/xilosa (Reyes et al., 2016).

También, con el concepto de biorefinería, Xu et al. (2018) proponen la obtención de diversos productos a partir de materias primas lignocelulósicas; un método modificado de sacarificación fermentación simultanea (MSSF), que involucra tecnologías ecológicas como pretratamientos hidrotérmicos y organosolventes, para producir un sólido con alto contenido de celulosa, para ser transformado en etanol, además del reciclado de solventes para la producción de adhesivos basados en proteínas vegetales, así como la xilosa presente en la fase acuosa para la obtención de furfural. Este tipo de propuestas integrales pueden ser atractivas para promover la producción de etanol a nivel comercial, partiendo de biomasa lignocelulósica.

Saccharomyces cereviciae y Zymomonas mobilis, usados para fermentar las hexosas, no pueden usar las pentosas como sustrato porque la ruta metabólica para la conversión de las pentosas es diferente a la de las hexosas, por lo cual se investigan otras levaduras y bacterias. Candida shehatae (Guan et al., 2013) y Pichia stipitis (Travaini et al., 2016) presentan alto potencial para fermentar pentosas, con la desventaja de su baja tolerancia al etanol, por lo que en los procesos con estos microorganismos se presenta inhibición por producto. Como solución a este problema técnico, levaduras Kluveromyces marxianus tienen tolerancia al etanol y pueden fermentar hexosas y pentosas (Lin et al., 2013). Para aumentar la utilización de las pentosas también se busca integrar procesos con la utilización de hongos que metabolicen la madera sin pretratamiento de la lignina. Así, en el estudio de Mattila et al. (2017) se utiliza un solo paso y un solo microorganismo para la producción de bioetanol con especies fúngicas flebioides, que alcanzaron un rendimiento de etanol de 5.9 g L-1.

Tercera generación

La búsqueda de materias primas para producir etanol ha aumentado el interés de rápida generación de biomasa con alta densidad energética (desarrollo de cultivos energéticos). Entre estos cultivos se encuentran los pastos perennes, las micro y macro algas, y las cianobacterias; todos agrupados en la denominación de biocombustibles de tercera generación (3G). Las algas no son vistas como materia prima para producción de etanol, sino como productoras de hidrógeno, como sustrato para conversión termoquímica y como lípidos para biodiesel (Brennan y Owende 2010). De la conversión de biomasa de macro algas se puede obtener almidones que son hidrolizados y fermentados para producir bioetanol (Adams et al., 2009; Khambhaty et al., 2013; Scholz et al., 2013; Sudhakar et al., 2016), y biobutanol que tiene mayor densidad energética y mayor compatibilidad con la gasolina que el bioetanol (Dürre, 2008). Una investigación de la factibilidad económica de las microalgas como materia prima para biorefinerías fue reportada por Konda et al. (2015); ellos resaltan las ventajas potenciales de producir una amplia cartera de productos químicos desde microalgas, para darle viabilidad económica a clústeres industriales denominados biorefinerías. En el laboratorio se manejan cepas de algas aisladas, pero en condiciones naturales existe un problema de las fuentes hídricas llamado eutrofización, que es la proliferación de algas por exceso de nutrientes en el agua. Para solucionar este problema, se propone usar estas algas en la producción de etanol y mejorar la calidad del agua. Chen et al. (2017) patentaron una técnica de pretratamiento con electrocoagulación y sacarificación ácida de algas de los lagos y obtuvieron hasta 156 mg glucosa g-1 de alga, que están disponibles para su transformación a etanol. El tipo de macroalgas más utilizadas industrialmente son las ¨seaweeds" o hierba de los mares, que son organismos pluricelulares que convierten de manera eficiente los nutrientes del agua y el CO2 en biomasa, de las que hay unas 9,200 especies, pero solo 221 tienen importancia económica (Mohammed, 2013). Las macroalgas son materias primas para producir bioetanol porque no tienen alto contenido de lípidos como las microalgas y tienen contenido elevado de azúcares y otros carbohidratos que pueden ser fermentados. Las variables estudiadas en el crecimiento de las algas son las que afectan la producción de los carbohidratos, como la luz, la temperatura, los nutrientes, la salinidad y el pH. Respecto al efecto de la luz, según George et al. (2014), una intensidad luminosa fotosintética de 60 μmol m-1s-1y ciclos de 12:12 (luz:oscuridad) lograron una productividad de biomasa de 7.9 mg L-1 d-1 con Ankistrodesmus falcatus. Es importante considerar que los pretratamientos, la licuefacción y la sacarificación de las macroalgas presentan dificultades similares a las materias primas de segunda generación, pues también contienen polisacáridos que deben ser hidrolizados hasta azúcares fermentables, un aspecto que requiere de más investigación. Las microalgas tienen alto un contenido de lípidos, pero también de carbohidratos, por lo que se propone la Scenedesmus sp. como materia prima para la producción integrada de etanol y biodiésel (Sivaramakrishnan y Incharoensakdi, 2018).

Otro cultivo de alta densidad en lagos y lagunas es el lirio acuático (Eichhornia crassipe), que es un problema ambiental por su alta tasa de crecimiento, que provoca que la luz y oxigeno no penetren a estos mantos acuíferos, por lo cual mueren otras especies en estos ecosistemas. El lirio acuático está compuesto principalmente de celulosa, que puede ser convertida a glucosa, sustrato fermentable, para la producción de etanol (Zhang et al., 2018). Se probaron diferentes pretratamientos del lirio acuático y el más efectivo fue la combinación de ácido diluido, y el uso de microorganismos (Phanerochaete chrysosporium), por los altos resultados en purificación de la celulosa (39.4 %) y en el contenido de azucares reductores (430.66 mg g−1).

Cuarta generación

Los avances de la bioingeniería han llevado al concepto de biocombustibles de cuarta generación (4G), los cuales utilizan organismos genéticamente modificados (OGM) para mayor captura de CO2, como la caña genéticamente modificada, con alto contenido de lípidos para la producción simultánea de etanol y biodiesel (Huang et al., 2016). También, la fermentación con E. coli genéticamente modificada produce triglicéridos desde los jugos dulces de la caña para ser transformados luego a biodiesel. Amyris (EUA), LS9 (EUA), Sapphire Energy (EUA), Solazyme (EUA) y Terrebonne (Canadá) investigan la forma de escalar el proceso a la industria (Steen et al., 2010; Westfall y Gardner, 2011). La utilización de OGM tiene resultados positivos en rendimiento y eficiencia de los procesos. Según Tanimura et al. (2015), la levadura genéticamente modificada Scheffersomyces shehatae JCM 18690, puede hidrolizar y fermentar el almidón simultáneamente hasta una productividad de 0.92 g L-1 d-1 después de 10 días, lo que es comparable al mejor rendimiento reportado en la producción de etanol desde maíz con S. cerevisiae. Huerta et al. (2005) aumentaron el rendimiento teórico de conversión de glucosa o xilosa en etanol hasta en 27 % al mejorar genéticamente las cepas etanologénicas de E. coli KO11, y uno de los principales objetivos fue optimizar la expresión del gen PdcZm, el cual codifica para las enzimas piruvato decarboxilasa, así como la búsqueda o generación de versiones más activas del mismo gen.

Tendencias futuras

En los biocombustibles, la mayor parte de los costos están asociados con las materias primas (Neto et al., 2016). Por lo tanto, las propuestas para el sector industrial y los sistemas de innovación tecnológica en biocombustibles están enfocados en reducir los costos de producción, así como la búsqueda de nuevas materias primas que cumplan con los requerimientos económicos y ambientales, y que no afecten la seguridad alimentaria humana.

Una alternativa viable para la producción de bioetanol es la integración de procesos, lo cual ayuda a mejorar la productividad y la utilización de los recursos energéticos, e impacta en la reducción de costos de operación. Un ejemplo es la producción de etanol 1G y 2G desde el jugo de la caña y de su bagazo, lo cual puede reducir el costo final del etanol, hasta ser competitivo con los combustibles fósiles (Neto et al., 2016). Análisis técnicos y estudios económicos se deben realizar a los procesos integrados. De la caña, una materia prima de alta productividad, se obtienen resultados aplicables de procesos integrados a escala industrial, pero otras materias primas menos productivas, como aquellas con alto contenido de almidón, deben ser analizadas en procesos de integración tecnológica. Además, la utilización del dióxido de carbono de la planta de producción de etanol (etapa de fermentación) en el proceso de producción de algas, ofrece una nueva perspectiva de integración de tecnologías 1G/3G.

El concepto de las biorefinerías es una forma de integrar procesos, amplía el espectro de productos de una planta de producción y, por lo tanto, las posibilidades de mercado. Pero constituye un nivel de complejidad avanzado que representa retos en la utilización integral de materias primas, lo cual justifica más estudios por la cantidad de variables involucradas.

Una propuesta reciente es la producción de etanol sintético a partir de desechos orgánicos como papel, madera y estiércol de vaca. Los residuos son secados en la misma planta de producción del etanol, se almacenan por un tiempo corto y se introducen en el gasificador junto con el carbón, para producir monóxido de carbono e hidrógeno (“syngas”), así como carbón puro. El “syngas” se refina y somete a un proceso catalítico antes de ser comprimido para después ser transferido al reactor para la síntesis de etanol. En este proceso la recolección de la materia prima tiene un impacto importante en los costos del producto final y, además, el carbón usado para mejorar la eficiencia económica del proceso incrementa el costo del etanol. El costo del etanol, con una tasa interna de retorno del 10 %, fue 0.433 USD L-1 con desechos de papel, 0.51 USD L-1 con desechos de madera y de 1.45 USD L-1 con estiércol de vaca. La factibilidad económica para producir etanol fue mayor con la mezcla de desechos de madera y carbón; el uso de carbón en la mezcla puede ser una solución para obtener energía con desechos orgánicos generados en casa (Gwank et al., 2018).

Las instalaciones petroquímicas, de producción de petróleo y de refinación contribuyen a las emisiones de CO2; de igual forma la combustión de los energéticos (gasolina, diesel, gas butano, gas natural) aportan a dichas emisiones. La combustión de los derivados del petróleo solo produce emisiones y no fijación, como sucede con otros gases (por ejemplo nitrógeno), por lo que no hay una etapa donde se puedan disminuir dichas emisiones, lo que ocasiona los problemas de contaminación ambiental. Por el contrario, el CO2 generado por la combustión del etanol es menor que el generado por los combustibles fósiles, y la mayor parte de ese CO2 puede fijarse mediante la fotosíntesis, por lo que el liberado hacia la atmósfera es menor, con la disminución del efecto invernadero (Quintella et al., 2011).

Los análisis de ciclo de vida (LCA ,por sus siglas en inglés) de los biocombustibles ayudan a conocer el impacto del CO2 generado sobre el medio ambiente. Una evaluación realizada por el Centro de Tecnología Copersucar (CTC) mostró que por cada tonelada de caña de azúcar el efecto neto es la fijación de 694.7 kg de CO2, y se consideró desde el cultivo de la caña hasta el uso final del etanol; los resultados mostraron que se evita la emisión de 206.8 kg CO2 t de caña de azúcar cuando se usa etanol en lugar de gasolina (Paula et al., 2010).

Hay diversos factores que se deben tener en cuenta durante el análisis del ciclo de vida del etanol. La caña de azúcar en determinadas condiciones puede generar balances negativos de CO2, pero debido a la variedad de materias primas con las que se puede obtener etanol, cada una de ellas debe ser analizada específicamente. Por ejemplo, la aplicación de fertilizantes químicos y el riego de agua para el cultivo que puede utilizarse para producir etanol, inevitablemente incurren en emisiones de CO2 en sus procesos de producción (Gelfand et al., 2011). La limpieza y conversión de la tierra para asegurar más campos para el cultivo dañan el almacenamiento de carbono en el suelo, y se denomina deuda de carbono (la cantidad de CO2 liberado por la conversión de la tierra). La producción de herramientas precisas y confiables para determinar y cuantificar cada contribución relevante, de origen antropogénico o no, en el ciclo de vida del etanol, es un reto.

Conclusiones

La diversificación de las materias primas para la producción de etanol llevó a la clasificación de primera y segunda generación. El etanol de primera generación comprende el uso de materias primas ricas en azúcares simples (sacarosa de la caña de azúcar) y almidón (maíz). En la producción de etanol de segunda generación se busca aprovechar los subproductos agrícolas de bajo costo (rastrojo de maíz, trigo, etcétera), que son ricos en compuestos lignocelulósicos. Los biocombustibles de tercera generación involucran materias primas como los pastos perennes, las micro y macro algas, y las cianobacterias; en el caso de las macro algas, estos azúcares simples y almidón se pueden usar para la producción de etanol. En la producción de etanol de cuarta generación se plantea el uso de cultivos modificados genéticamente (como caña de azúcar con mayor captura de CO2), así como de microorganismos modificados genéticamente y con mayor eficiencia en la conversión de sustrato a producto. En la actualidad se plantea la búsqueda de materias primas altas en almidón, preferiblemente de cultivos agrícolas de uso no alimentario, con alto rendimiento y bajo costo, como una alternativa prometedora para la producción de etanol de menor costo, que los procesos de producción a partir de caña de azúcar y de maíz (uso alimentario en México y prohibido su uso en la ley de energéticos).

Literatura Citada

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Recibido: Mayo de 2017; Aprobado: Marzo de 2018

* Autor responsable: labellop@ipn.mx

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