Etanol celulosa el «Oro Verde» La principal limitación de obtener etanol de materia vegetal es que la mayoría de los azúcares, con excepción de almidón de la mazorca, no son viables para la fermentación con bacterias u otros microbios. Los azúcares están encerrados en la celulosa, el material fibroso que representa el 75 o 85% […]
Etanol celulosa el «Oro Verde»
La principal limitación de obtener etanol de materia vegetal es que la mayoría de los azúcares, con excepción de almidón de la mazorca, no son viables para la fermentación con bacterias u otros microbios. Los azúcares están encerrados en la celulosa, el material fibroso que representa el 75 o 85% de la planta, el resto es lignina, el material de la madera.
Sin embargo un cóctel de enzimas llamadas celulasas pueden descomponer la celulosa en sus unidades de azúcares, que si pueden ser fermentadas por microbios convirtiendo los azucares en etanol (ver cuadro). Eso significa que la hierba, la paja y otros residuos de los cultivos agrícolas pueden ser convertidos en etanol. Esto se ha denominado como el ‘oro verde’ que podría reemplazar el ‘oro negro’ crudo, importado y que se ve como un potencial para reducir sustentablemente el consumo de combustibles fósiles.
«Por lo menos es tan factible como el uso de Hidrógeno como una fuente de energía para el sector de transporte sustentable», dijo el Consejo de Defensa para los Recursos Nacionales (NRDC por sus siglas en inglés) y la Unión de Científicos Preocupados (UCC).
Shell Oil predijo que el mercado global de biocombustibles como ‘etanol celulosa’ crecería por encima de los $10 billones para el 2012.
Un estudio financiado por la Fundación de Energía y la Comisión Nacional para Políticas Energéticas concluyó que «los biocombustibles junto con vehículos de mayor eficiencia y crecimiento inteligente podría reducir la dependencia del sector transportista en petróleo en dos tercios para el 2050 de forma sustentable». ‘Crecimiento inteligente’ es un término de planificación que significa el crecimiento que maximiza el desarrollo sustentable de ciudades en relación a transporte y otras formas de reducir el uso de energía.
El etanol proveniente de la celulosa puede ser producido de una gran variedad de residuos agrícolas (maíz, cereal, caña de azúcar, etc.), los residuos vegetales de los procesos industriales (pulpa de papel, aserrín)y de cultivos energéticos como ‘switchgrass’.
Lee Lynd, catedrático ingeniero de Dartmouth, ha estado trabajando con la Planta de Papel Gorham, para convertir la pulpa de papel en etanol. Lynd dice que «esto es realmente un producto de costo negativo, y que el hecho de que esté pretratado elimina un paso en el proceso».
La compañía Masada Oxynol está planificando la construcción de una planta en Middletown, Nueva York, para procesar los desechos municipales y convertirlos en etanol. Después de recuperar los reciclables, se empleará una hidrólisis ácida para convertir el material vegetal en azúcares. «La planta tendrá beneficios económicos como ambientales», dijo David Webster, Vicepresidente de Masada. El proceso reduce o elimina la necesidad de rellenos. Entre los desechos del proceso se incluyen lignina y ceniza. La ligninaserá recuperada a través de la quema para hacer que la planta sea autosuficiente energéticamente y la ceniza pueda usarse como fertilizante.
Reduciendo el costo de producción
Las celulasas que se necesitan para descomponer la celulosa hasta ahora se obtienen de hongos, en particular de Trichoderma reesei. Científicos de NREL han investigado otras fuentes como la bacteria Acdiothermus cellulolyticus, que han encontrado en las termas del parque nacional Yellowstone. Pero las bacterias exogluconasa normalmente no son tan buenas como el hongo, aunque toleran temperaturas altas. El próximo paso es combinar tolerancia a altas temperaturas con la eficiencia del enzima del hongo. NREL y DOE han contratado las compañías de enzimas mas grandes, Genecor International y Novozymes para reducir los costos de producción de celulasas a un promedio de $0.10- 0.20 por galón de etanol y lo han conseguido (1).
Otra mejora es en relación a la acción simultánea de la enzima y los microbios fermentadores, para que así mientras se vaya produciendo los azúcares por las celulasas los microbios vayan fermentando la glucosa convirtiéndola en etanol (3). La Corporación Logen en Ottawa, Canadá (4) fue la primera en desarrollar el proceso de obtener etanol de celulosa. Ha construido la primera y única planta de demostración para convertir biomasa celulosa en etanol. La planta procesa 40 toneladas de paja de trigo por día, Logen se convirtió en la primera compañía en comercializar etanol de material vegetal en Abril del 2004. El principal consumidor hasta ahora es el gobierno canadiense, que junto con el gobierno de EE.UU. (particularmente el DOE’s NREL) ha invertido millones de dólares para ayudar a comercializar la celulosa etanol.
Como las celulasas convierten a la celulosa en reservas para la producción de etanol
La unidad cristalina de la celulosa esta compuesta por cientos de tiras, cada tira contiene cientos de unidades de glucosa unidas. La celulosa esta enrollada en una funda de hemicelulosa y lignina, que protege la celulosa de descomposición. La hemicelulosa es mas fácil de descomponer que la celulosa en si (2). Una combinación de calor suave, presión y ácido descompone la hemicelulosa en sus componentes de mezcla de azúcares, principalmente silosa.
Científicos del laboratorio Nacional para Energía Renovable (NREL por sus siglas en ingles) del Departamento de Energía (DOE) usaron ácido sulfúrico para descomponer reaccionando con agua la funda de hemicelulosa-lignina, exponiendo la celulosa.
Para hidrolizar la celulosa químicamente se requiere de temperaturas y presión altas y ácidos fuertes, esto implica equipos bastante costosos; por lo cual se ha buscado enzimas celulasas, para que hagan el trabajo.
A diferencia de los seres humanos que no pueden digerir celulosa, las vacas, termitas y hongos si pueden hacerlo. Algunas bacterias, hongos e insectos producen celulasas, otros animales utilizan bacterias que producen celulasas en sus sistemas digestivos.
La mayoría de celulasas se forman de tres complejos de enzimas que trabajan juntos para hidrolizar la celulosa. Primero la endolucanasa descompone una de las cadenas dentro de la estructura cristalina de la celulosa, luego la exoglucanasa atrae una de las puntas sueltas y estira la cadena de celulosa destruyendo la estructura, cortando las unidades de celulosa en dos unidades de glucosa. Finalmente betaglucosidasa parte las dos unidades en dos moléculas de glucosa, que puede ser fermentada en etanol.
Es el etanol de celulosa sustentable?
Un estudio preliminar del ciclo de vida del etanol de celulosa mostró que se reduce en un 89% las emisiones de gases invernaderos sobre el uso de petróleo. En contraste etanol fermentado de azúcar reduce gases invernaderos en un promedio de 13%. (5).
La producción de energía aparenta ser la mejor de todas, con una relación del 1,98 de inversión / ganancia, que significa que cada unidad de energía invertida produce casi 2 unidades de energía de ganancia por la producción de celulosa etanol; pero posiblemente esto es una exageración a causa de fallas en los procesos de contabilidad.
¿Puede la agricultura de EE.UU. sostener un sistema a gran escala de producción de etanol de celulosa? ¿Hay suficiente tierra? ¿Se puede producir suficiente biomasa sin impactar el costo de tierras agrícolas, compitiendo con la producción de alimentos y sin dañar el medio ambiente?
La respuesta a esta pregunta varía entre un no hasta un definitivo si, dependiendo de esfuerzos de investigación, tecnología innovadora y políticas gubernamentales (1).
Una propuesta estima que para producir 50 billones de galones de etanol por año de biomasa de celulosa, el flujo de residuos solo proporcionaría el 40 o 50% de la materia prima, el resto tendría que venir de cultivos energéticos como es el maíz y switch grass, que causaría grandes impactos al sistema agrícola.
Niveles mayores a esto produciría impactos en el costo de tierras agrícolas y competencia con la producción alimenticia.
Los Estados Unidos ha fijado la meta en el consumo de gasolina para carros y camiones para el año 2050 en 290 billones de galones.
Incrementando eficiencia de los vehículos a 50 mpg. o mas e incluyendo políticas de crecimiento inteligente, el consumo se podría reducir a 108 billones de galones para el año 2050.
Un informe de NRDC, Growing Energy (6) dice que el número de galones de etanol actualmente producido por cada tonelada seca de biomasa en los Estados Unidos es de 50 galones, o 208,93 litros (una pobre comparación en relación a 371,75 litros por tonelada del maíz (7).
Si se podrían alcanzar las predicciones hechas para switch grass de 12,4 toneladas secas por acre (27,77 toneladas por hectárea) – que es mas del doble de la media actual de 5 toneladas secas por acre – entonces se estima que 114 Ha. dedicadas al cultivo de switch grass podrían proveer la suficiente biomasa para producir 165 billones de galones de etanol (equivalente a 108 billones de galones de gasolina).
Esto consumiría 26,4% de la producción total del los Estados Unidos, o el 12,2% total de la tierra agrícola, y seguramente impactaría la producción de alimentos.
Una idea para producir biocombustibles económica y eficientemente es desarrollar bio-refinerías, análogas a las refinerías de petróleo, donde el crudo es convertido en combustibles y productos secundarios como fertilizantes y plásticos. En el caso de las bio-refinerías, la biomasa de la planta produciría una diversidad de productos como comida para animal, combustibles, químicos, polímeros, lubricantes, pegamentos, fertilizantes y energía.
John Sheehan de NREL ha estado utilizando un simulacro en software para ver el diseño de la bio-refineria. Sheehan opina que el tema de la escala es un asunto importante. El ha descubierto que las bio-refinerías necesitarían procesar 5 000 a 10 000 toneladas de biomasa por día para ser viables económicamente. Por debajo de 2 000 por día, el costo de capital es alto.
Un estudio del DOE y USDA publicado en abril del 2005 concluye que bosques y tierras agrícolas tienen el potencial de proveer un incremento de 7 veces más de biomasa que actualmente es usado para energía de biomasa y productos – en exceso de 1,3 billones de toneladas secas – que es suficiente para satisfacer mas de una tercera para de la demanda actual para el uso de combustibles para el transporte.
Mas del 25% vendría del uso extensivo del manejo forestal y un 75% del manejo intensivo de tierras agrícolas. La mayoría de los recursos primarios sería de los residuos de la tala de Madera y tratamiento de combustibles (para reducir los peligros de incendios) de bosques, y los residuos de productos agrícolas de tierras agrícolas.
Estas cifras se basan entre otras cosas, en proyecciones (optimistas) del incremento de la producción de cultivos, especialmente en un 50 por ciento en los mayores productos para bioenergía, plantado en tierras sin uso incluyendo 8 m de acres que anteriormente usaban para el cultivo de soya.
Es evidente que a menos de que se reduzca el consumo de los niveles actuales, los biocombustibles de cultivos energéticos no podrán reemplazar combustibles fósiles sin impactar la producción alimenticia.
Futuros Desarrollos
Otra dificultad es que 27% de la biomasa de la planta está compuesta por azúcares distintas a la glucosa, como hemicelulosa (por ejemplo la xilosa). Estas azúcares no son fermentadas por los microorganismos usuales.
La celulosa constituye un 40-50 por ciento del peso seco, y la hemicelulosa el 20-35%.
Lonnie Ingram, profesor de microbiología de la Universidad de Florida en el Instituto de Alimentación y Agricultura, estuvo en los titulares (9) porque su equipo de investigación ha creado genéticamente un tipo de bacteria E. coli para producir etanol a partir xilosa (10). Se ha comercializado con la ayuda del DOE de EE.UU. La compañía, BC International Corp., que se encuentra en Dedham, Mass., tiene derechos exclusivos sobre el uso y licencia de esta bacteria genéticamente modificada.
Esta bacteria transgénica de Escherichia coli fue creada transfiriendo los genes necesarios para la fermentación de azúcares – decarboxilasa piruvato y alcohol deshidrogenado – de la bacteria Zymomanas mobilis, y xilosa fermentada produce etanol al 95% del nivel teórico (11).
Greg Luli, vice-presidente del equipo de investigación de BC International dijo que la compañía tiene planes de construir una planta para convertir 30 millones de galones de biomasa en etanol en Jennings – Louisiana, que se espera estará en funcionamiento para finales del 2006. Desechos de la industria de la caña de azúcar en Louisiana será la principal materia prima para la planta.
Se están llevando iniciativas paralelas a cabo en Europa. La compañía Suiza Etek Etholtekhnik AB anunció que abrirá una planta piloto para producir 400-500 litros de etanol diarios de 2 toneladas de biomasa seca (12). La planta está diseñada para realizar dos pasos, hidrólisis acido diluido y una combinación con enzimas.
Aunque la materia prima es madera liviana, también se probaran otro tipo de biomasa como maderas duras y cultivos anuales como paja.
La planta piloto estará ubicada en Ornskildsvik en el norte de Suiza, cerca de una planta de etanol de sulfato de pulpa. Tres Universidades en la región – Universidad de Umea, Mid Sweden University y la Universidad Técnica de Lulea – tienen su planta propia.
Aun no es económicamente viable ni sustentable
Uno de los problemas con la tecnología de fermentación de xilosa con bacterias, como resume el grupo de profesores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en un documento entregado al Comité de Energía de MIT (13), es que el etanol producido es bastante diluido, como máximo 5-6%, comparado con 12% del almidón del maíz fermentado por levadura.
La bacteria de Lonnie Ingram produce 4.5% de solución de etanol (14). La razón es porque algunos compuestos se acumulan durante la fermentación de la mezcla de azúcares de la biomasa inhibiendo el crecimiento bacterial.
En otras palabras, la bacteria produce cerveza y no vino; y el agua extra que se necesita y la energía extra para destilar el etanol convertiría el proceso en no viable económicamente ni sustentable.
Los profesores del MIT también cuestionan si la idea de hacer una biorefinería para otros productos generados de la fermentación es viable económicamente. Proponen usar la biotecnología para crear microorganismos que puedan superar la inhibición en su crecimiento y de esta forma mejorar la producción de etanol a partir de biomasa.
Si hacen esto, se tendrán que asegurar de que no escape la bacteria al medio ambiente, y esto se aplica a cualquier otra bacteria que se genere para producir etanol de celulosa.
Hace algunos años, la científica de suelos Elaine Ingham y su estudiante Michael Holmes probaron una bacteria genéticamente modificada, Klebsiella planetícola que producía etanol de los desechos maderables (15) y encontraron que mataba a toda planta de trigo independiente de las condiciones (16).
Impactos ambientales de la producción de etanol
¿Es etanol realmente más limpio y más ambiental amigable que la gasolina? En una sesión del Senado de EE UU sobre el Acta Nacional de Combustibles y Químicos Sustentables de 1999, el NRDC presentó evidencias (17) que los productos generados de la combustión de etanol incluyen formaldehído y acetílico, los dos siendo cancerígenos; y que incrementando el uso de etanol podría incremental los niveles ambientales de peroxiacetinitrato (PAN).
El acetaldehído esta listado como Contaminante Toxico del Aire en California basado en evidencia de sus propiedades cancerígenas y PAN dice que este químico es «genotóxico (causa daño genético) y produce problemas respiratorios e irritante a los ojos, también puede producir daños pulmonares».
El NRDC señaló que incrementando el uso de etanol en el combustible podría llevar a un aumento de la exposición a etanol vía inhalación, que podría resultar en una variedad de tóxicos asociados con la ingestión de etanol. También alertaron sobre las emisiones de nitratos óxidos y compuestos inflamables orgánicos que producen ozono.
Reciéntemente, Cal Hodge de la empresa Second Opinion Inc. reportó que niveles de ozono en la atmósfera han incrementado en California desde el 2003 asociados con el cambio del uso de etanol en un 10% en compuestos de gasolina un año atrás (19).
El exceso de ozono en La Costa Sur de California es dos veces mayor que en últimos tres años, mientras que la concentración máxima de ozono subió a un 22%. Este incremento en ozono se correlacionó con un incremento en las emisiones de óxido de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles, que no fueron registrados por la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. (EPA).
El EPA aprobó el etanol en gasolina usando un modelo erróneo para sus pruebas, que no toma en cuenta el hecho que el etanol tiende a producir mas óxidos de nitrógeno, que suele escaparse de los tubos sellados del sistema de combustible de los vehículos y que reduce la eficiencia, por lo tanto, incrementa emisiones de gases. Se hace necesario un llamado para que «no se permita la expansión del uso» de etanol en la gasolina de los EE.UU.
Biodiesel tiene mayores impactos ambientales que el diesel
Se incrementa recursos primarios inorgánicos, para producir fertilizantes en un 100%
Se incrementa desechos no radioactivos, principalmente gipsium, un producto generado por la producción de fertilizantes de fosfato en un 98%
Se incrementa desechos radioactivos por el suministro de electricidad generada de las plantas nucleares en un 90%
Se incrementa oxidantes fotoquímicos, especialmente hexano en soluciones basadas en extracción de aceites, en casi un 70%
Se incrementa el uso de agua en un 30%
Se incrementa la acidificación de los óxidos de nitrógeno y sulfato y amonio expulsados durante el crecimiento de cultivos de colzay también durante la combustión de biodiesel en un 15%.
Mae-Wan Ho
Notas
1.- Este articulo es parte de la reciente publicación: «Which Energy?» Informe sobre Energía 2006 del Institute of Science in Society, y cuyos autores son Mae-Wan Ho, Peter Bunyard, Peter Saunders, Elizabeth Bravo y Rhea Gala.
Para ver el texto completo sobre Energía, todas las notas, referencias y conocer más sobre los biocombustibles pueden bajar el documento (en inglés) completo del sito: http://www.twnside.org.sg/title2/par/whichEnergy.pdf
2.- La version publicada en Ecoportal.net fue extractada de la publicada en el boletin Resistencia de la Red Oilwatch
3.-¿Qué son los biocombustibles?
Los biocombustibles se derivan de cultivos de plantas, e incluyen biomasa que es directamente quemada, biodiesel de semillas oleaginosas y etanol (o metanol) que es el producto de la fermentación de los granos, pasto, paja o madera.
Los biocombustibles han ganado fama entre los grupos ambientalistas como energías renovables que son «libres de carbono», por lo que no producirían gases con efecto invernadero; simplemente al quemarlos, el dióxido de carbono que las plantas tomaron cuando crecían en el campo, regresa a la atmósfera.
Sin embargo, hay varios aspectos que no son tomados en cuenta en este análisis. Por ejemplo, los cultivos destinados a biocombustibles, ocupan tierras valiosas que podrían usarse para cultivar alimentos, especialmente en países empobrecidos. Hay estimaciones realistas que muestran que generar energía a partir de cultivos requiere más energía fósil que la energía que producen, y que no reducen sustancialmente las emisiones de gases con efecto invernadero, cuando se incluyen todos los factores en los cálculos.
Más aún, causan irreparables daños a los suelos y al medio ambiente.
Los biocombustibles pueden también producirse a partir de chips de madera, residuos de cultivos y otros desechos agrícolas e industriales, los cuales no compiten por suelo, pero cuyos impactos ambientales son aún sustanciales.