martes, 27 de noviembre de 2007

Biocombustibles: Etanol a base de maiz Una nueva alternativa para extraccion de alcohol

Biocombustibles

Un biocombustible según la etimología de la palabra sería un combustible de origen biológico. Así tal cual incluso el petróleo lo sería, pues procede de restos fósiles de seres que vivieron hace millones de años. Pero se tiende a definir como biocombustible a un combustible de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos orgánicos. Esta fue la primera fuente de energía que conoció la humanidad. La madera o incluso los excrementos secos son biocombustibles. Si se administra bien la madera de los bosques puede ser un recurso renovable (mal administrado es un desastre ecológico). De este modo se propuso la “biomasa” como fuente de energía. Una de estas biomasas sería virutas de madera producto de la limpieza de bosques o incluso de su explotación racional.

En realidad toda sustancia susceptible de ser oxidada produce energía. Si esta sustancia procede de plantas, entonces al ser quemada (oxidada) devuelve a la atmósfera el dióxido de carbono que la planta tomó del aire tiempo atrás. Por tanto, desde el punto de vista ecológico es un sistema que respeta el medio ambiente, pues no hay un aumento neto de gases de efecto invernadero. La energía que consumimos en ese acto de quemar procede en última instancia de la luz del sol. Las plantas, gracias a la fotosíntesis fijan energía y dióxido de carbono en moléculas orgánicas ricas en carbono e hidrógeno. Es pues una forma de energía solar indirecta. Es posible utilizar este tipo de combustible como complemento o para aprovechar ciertos recursos que sería de todos modos desperdiciados. Aunque cubra un pequeño porcentaje de la producción de energía total aportaría su contribución de todos modos.

Casi cualquier sustancia orgánica líquida o gasificable puede ser utilizada en un motor de explosión interna con la apropiada mecánica. Utilizar otros combustibles alternativos en nuestros actuales motores sería más sencillo que la utilización de hidrógeno que se basa en una tecnología totalmente distinta. Casi cualquier sustancia orgánica líquida o gasificable puede ser utilizada en un motor de explosión interna con la apropiada mecánica. Utilizar otros combustibles alternativos en nuestros actuales motores sería más sencillo que la utilización de hidrógeno que se basa en una tecnología totalmente distinta.

Los motores que llevan nuestros autos son de dos tipos: de ciclo de Otto y de ciclo Diesel. En el primero normalmente quemamos generalmente gasolina y en el segundo gas-oil. Pero vamos a ver que pueden ser capaces de quemar otro tipo de combustibles como alcohol en el primero y ésteres grasos o incluso aceites vegetales en el segundo. Con los precios del barril del petróleo por las nubes se está mirando con otros ojos este tipo de biocombustibles, apareciendo muy atractivos a los ojos de gobiernos e inversores. La ley de 2005 sobre política energética de los EEUU propone la producción de 30.000 millones de litros de etanol y biodiesel para 2012, que representaría un 5,75% de las necesidades totales de combustible para el transporte del país.

Para el primer caso del ciclo Otto siempre se puede utilizar alcohol etílico procedente de la fermentación del azúcar. De hecho en un pequeño porcentaje (15%) puede ser añadido directamente a la gasolina corriente sin necesidad de modificar el motor. Si se desea utilizarlo a altas concentraciones (hasta el 85%) hay que introducir modificaciones en el motor, cambiando el sistema de carburación o regulando el sistema de inyección. En algunos modelos japoneses de motores un sensor detecta qué porcentaje de alcohol y gasolina hay en la mezcla y ajusta en tiempo real la cantidad a inyectar. De este modo se puede utilizar cualquier proporción alcohol-gasolina que se desee. Y si no encontramos un surtidor de un tipo podemos utilizar el otro sin importar lo que pase en el depósito. Los primeros prototipos de motores tipo Otto funcionaban con alcohol así que no es una idea realmente nueva. Naturalmente, la quema de alcohol produce muchos menos contaminantes que la gasolina. De hecho, en los EEUU se añade regularmente alcohol de maíz como aditivo a las gasolinas corrientes para reducir la contaminación producida en su combustión.

El alcohol puede proceder del maíz como en los EEUU o de la caña de azúcar como en Brasil. En este último país se ha venido utilizando el alcohol como combustible de automoción desde hace ya muchos años aunque ha caído un poco en desuso porque Brasil también cuenta con reservar de petróleo en su subsuelo.

La caña de azúcar, la remolacha o el maíz no son la única fuente de azúcar. Sería interesante obtener azúcar de la misma celulosa. Al fin y al cabo la celulosa no es más que una larga cadena formada por “eslabones” de glucosa. De este modo, casi todo residuo vegetal será susceptible de ser transformado en azúcar y luego gracias a la fermentación por levaduras obtener el alcohol destilando el producto obtenido. Se calcula que se producen miles de millones de toneladas de estos productos cada año. Según el National Resources Defense Council (NRDC) esta vía de obtención de combustible produciría un 30% de las necesidades de combustible de automoción para 2050.

Transformar la celulosa en azúcar no es fácil, hace falta un sistema para romper la larga cadena de carbohidratos en sus eslabones de monómeros que la constituyen. De hecho, la celulosa es la que da rigidez a las plantas, son como “ladrillos” para ellas. Para romper la cadena se pueden utilizar encimas especiales, que se pueden obtener industrialmente, pero hasta ahora tenían un precio muy alto. Se espera reducir aun más el coste del proceso si en lugar de utilizar dos pasos (ruptura de la celulosa en un ambiente rico de oxígeno en presencia de la encima y posterior fermentación con levaduras) se emplea un solo paso con microorganismos genéticamente manipulados que puedan obtener directamente la energía de la celulosa y producir así etanol.

En la producción de etanol a través de celulosa se necesita tratar previamente la materia vegetal, y ahora ya se han descubierto procesos que rebajan a la mitad el costo usando amoniaco líquido. El proceso de destilación es energéticamente costoso y se investiga (George Huber de University of Wisconsin–Madison) la producción directa de biodiesel basado en derivados del azúcar a partir de celulosa. Este proceso utiliza un reactor catalítico de cuatro fases que produce alcanos líquidos que, como los aceites, se separan espontáneamente del agua por flotación. Se investiga además en cómo reducir la complejidad del proceso de todo el proceso. Restos vegetales de todo tipo sería útiles para la obtención de celulosa: aserrín, paja, césped, virutas de madera, papel, hojas de árbol, etc.

La utilización directa de un aceite vegetal en un motor diesel es posible, aunque hay que introducir modificaciones en el motor. Uno de los inconvenientes es que estos aceites se congelan a temperaturas moderadamente bajas. Aun así hay algunas personas que los utilizan de este modo. Pero el sistema más habitual es la transformación de estos aceites a través de un proceso de esterificación. De este modo, a partir de alcohol metílico, hidróxido sódico y aceite vegetal se obtiene un éster que se puede utilizar directamente en un motor diesel sin modificar, obteniéndose glicerina como subproducto. La glicerina puede utilizarse para otras aplicaciones.

Este tipo de transformación se empezó a realizar por particulares mediante rudimentarios medios caseros, e incluso hay algún que otro diseño casero de producción más o menos continua de biodiesel. Ahora ya hay empresas que se encargan de reciclar aceites usados para su transformación en biodiesel. Luego lo venden como aditivo a las empresas petroleras. Así que si usted conduce un diesel seguro que ya consume biodiesel en su auto en una pequeña proporción. Entre las ventajas de este combustible es que produce menos contaminación ambiental que el diesel normal por la baja emisión de compuestos de azufre. Se ha llegado a proponer otro tipo de combustibles biodiesel (este tipo de motores pueden quemar casi cualquier cosa orgánica en forma de líquido), entre ellos uno producido a partir de restos orgánicos incluidos gatos muertos encontrados aplastados en la carretera (para gran preocupación de las protectoras de animales) o estiércol. Se plantea incluso obtener biodiesel de las aguas residuales.

Ventajas e Inconvenientes

Su uso genera una menor contaminación ambiental y son una alternativa viable al agotamiento ya sensible de energías fósiles, como el gas y el petróleo, donde ya se observa incremento en sus precios. Es importante destacar que los biocombustibles son una alternativa más en vistas a buscar fuentes de energías sustitutivas, que sirvan de transición hacia una nueva tecnología como por ejemplo el hidrógeno. El biodiesel es el combustible renovable que tiene el mayor potencial de desarrollo en el país. Se puede usar puro o mezclado con gasoil en cualquier proporción, en cualquier motor diesel.

De hecho, en el año 1900, Rudolf Diesel utilizó aceite de maní en el primer motor diesel. Actualmente el biodiesel se usa en varios países en mezclas con porcentajes diversos. Se obtiene a partir de aceites vegetales y/o grasas animales por ejemplo: la colza, girasol, palma, soja, sebo, etc., permitiendo al campo y la industria aceitera otra posibilidad de comercialización y de diversificación de la producción. El bioetanol puede sustituir a la nafta como ya se hace en Brasil con el alcohol de caña, o el de maíz en los Estados Unidos. Permite sustituir los aditivos que se emplean actualmente y que generan contaminación ambiental. El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos, (bacterias), y otros factores, en ausencia de aire.

Las principales ventajas e inconvenientes de algunos biocombustibes.

Ventajas:

* Proporcionan una fuente de energía reciclable y, por lo tanto, inagotable.

* Las emisiones de gas del invernadero son reducidas el 12% por la producción y la combustión del etanol y el 41% por el biodiesel.

* Revitalizan las economías rurales, y generan empleo al favorecer la puesta en marcha de un nuevo sector en el ámbito agrícola.

* Mejoran el aprovechamiento de tierras con poco valor agrícola y que, en ocasiones, se abandonan por la escasa rentabilidad de los cultivos tradicionales.

* Mejora la competitividad al no tener que importar fuentes de energía tradicionales

Inconvenientes:

* Los biocombustibles producidos a base de palma aceitera, caña de azúcar y soja conllevan graves impactos sociales y medio ambientales

* Su uso se limita a motores de bajo rendimiento y poca potencia.

* Su producción sólo es viable mediante subvenciones, porque los costes doblan a los de la gasolina o el gasóleo Se necesitan grandes espacios de cultivo, dado que del total de la plantación sólo se consigue un 7% de combustible.

* El combustible precisa de una transformación previa compleja.

* En los bioalcoholes, la destilación provoca, respecto a la gasolina o al gasóleo, una mayor emisión en dióxido de carbono.

* Los biocombustibles más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiésel.

El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar o remolacha. Brasil es el principal productor de bioetanol (45% de la producción mundial), Estados Unidos representa el 44%, China el 6%, la Unión Europea el 3%, India el 1% y otros países el restante 1%. El biodiésel, se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar raps, canola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. El principal productor de biodiésel en el mundo es Alemania, que concentra el 63% de la producción. Le sigue Francia con el 17%, Estados Unidos con el 10%, Italia con el 7% y Austria con el 3%.

La Unión Europea considera los siguientes tipos de biocarburantes.

  1. Bioetanol: Etanol generado a partir de la biomasa o de una fracción biodegradable de residuos.
  2. Biodiésel: éster metílico generado a partir de un aceite vegetal o animal de calidad similar al gasóleo.
  3. Biogás: combustible gaseoso generado a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos.
  4. Biometanol: metanol generado a partir de la biomasa.
  5. Biodimetiléter: dimetiléter generado a partir de la biomasa.
  6. BioETBE (etil ter-butil éter): ETBE generado a partir del bioetanol.
  7. BioMTBE (metil ter-butil éter): combustible generado a partir del biometanol.
  8. Biocarburantes sintéticos: hidrocarburos sintéticos o sus mezclas, generados a partir de la biomasa.
  9. Biohidrógeno: hidrógeno generado a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos.
  10. Aceite vegetal puro: obtenido a partir de plantas oleaginosas mediante presión, extracción o procedimientos comparables, crudo o refinado, pero sin modificación química.

Proceso para obtener bioetanol

Es un alcohol, elaborado mediante un proceso similar al de la cerveza, donde el almidón de los cultivos ricos en él, (especialmente el maíz), son convertidos en azucares y estos a su vez, fermentados y convertidos en etanol. Por ultimo el etanol es destilado, adquiriendo su forma final. En ocasiones, es transformado en un éter, llamado etil terciario-butil eter (ETBE), con propiedades oxigenativas de los combustibles. Es utilizado para incrementar el octanaje y mejorar la calidad de las emisiones de la gasolina, al convertirla en un combustible oxigenado. El Bioetanol se puede extraer de cereales (Maíz, Trigo, Avena, Cebada), Papa, Remolacha, Caña de Azúcar, Biomasa Forestal, Residuos Pecuarios, y Residuos de las Cosechas y las agroindustrias.

Proceso

El proceso químico de producción de bioetanol se basa simplemente en una fermentación, que es un cambio químico en las sustancias de naturaleza orgánica llevado a cabo por la acción de enzimas. Lo que ocurre en una fermentación es que las sustancias orgánicas complejas se transforman en otras simples. El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica, en la que los azúcares simples como por ejemplo la glucosa se convierten en alcohol etílico y dióxido de carbono. Ejemplos de fermentaciones alcohólicas pueden ser la elaboración de bebidas alcohólicas como cerveza, vino, whisky, y también se están produciendo actualmente a escala comercial mediante distintas fermentaciones, productos como la glicerina, propanona, butanol o ácido butírico.

La fermentación alcohólica es llevada a cabo mayoritariamente por levaduras, ya que una de las características más conocida de las levaduras es su capacidad para fermentar los azúcares para la producción de etanol. Las levaduras se han utilizado a lo largo de la historia para fermentar azúcares del arroz, del trigo, cebada y del maíz para producir bebidas alcohólicas y también en la industria panadera. La mayoría de las levaduras que se cultivan son del género Saccharomyces. Concretamente la especie Saccharomyces cerevisiae es una de las más utilizadas ya que participa en muchas de las fermentaciones que hemos mencionado. La diferencia es que cuando se termina de utilizar un lote de levadura destinado a la fabricación de pan, a usos médicos o a la fabricación de alimentos, el medio de cultivo en el que han crecido las levaduras se desecha. Sin embargo, en la elaboración de bebidas alcohólicas y alcoholes industriales, el medio de cultivo es el producto final y en este caso son las propias levaduras las que se desechan o se pueden utilizar como pienso o alimento de animales.

Microorganismos de interés

Saccharomyces cerevisiae es la más utilizada para la fermentación de azúcares a etanol ya que fermenta eficientemente los azúcares de seis carbonos a etanol. Pero la planta además de hexosas como la glucosa, también tiene pentosas como la xilosa. Estos azúcares de cinco carbonos esta levadura no los puede utilizar como fuente de carbono. Esto se traduce en una disminución del rendimiento del proceso ya que una parte de los azúcares presentes en la biomasa lignocelulósica no puede transformarse en etanol. Además, si quisiéramos las pentosas había que utilizar microorganismos separados para fermentar las pentosas y las hexosas y esto requeriría dos tanques de fermentación distintos, aumentando el coste del proceso.

Para evitar todo esto e intentando que el proceso de producción de bioetanol sea más rentable, se han hecho muchos estudios para mejorar el rendimiento de Saccharomyces cerevisiae. Algunos se han basado en modificar el metabolismo de la levadura introduciéndole genes de otra levadura distinta que utiliza de forma natural las pentosas como fuente de carbono para que convierta la xilosa a etanol. Como el interés mundial en la utilización del bioetanol como fuente de energía renovable aumenta cada vez más, se han estimulado estudios de coste y eficacia de los procesos industriales para la producción de bioetanol. Se han hecho investigaciones para obtener organismos fermentantes eficientes, substratos baratos de fermentación y condiciones ambientales óptimas para que la fermentación ocurra.

Se ha descubierto que hay una bacteria llamada Zymomonas mobilis que tiene ventajas sobre Saccharomyces cerevisiae en cuanto a productividad y tolerancia a etanol que serán explicadas posteriormente cuando se explique el proceso. Sin embargo, la bacteria Zymomonas mobilis también tiene el problema de que no fermenta los azúcares de cinco azúcares. Los estudios que se han hecho son parecidos a los de Saccharomyces cerevisiae. Se ha probado en modificar el metabolismo de Zymomonas mobilis introduciéndole los genes necesarios para que pueda utilizar las pentosas. A parte de este tipo de estudios, se esta haciendo un estudio que pretende demostrar la viabilidad técnica de la producción de bioetanol a partir del residuo generado en la extracción del aceite de oliva.

Ventajas

Reducción neta de la emisión de carbono, lo cual tiene una incidencia muy positiva en la problemática de cambio climático causado por los gases del efecto de invernadero. Genera empleos directos e indirectos, correspondientes a los empleos del agro, operación de biorefinerías y empleos temporales para la construcción y montaje de las mismas durante los primeros años. Lo anterior contribuiría a la ampliación y optimización de la frontera agrícola, llevándola incluso a las zonas de cultivos ilícitos, desarrollando las obras de infraestructura necesarias, lo cual tiene un efecto positivo y sinergistico en el desarrollo de las regiones.

El alcohol y sus derivados serían muy importantes, no solamente para sustituir importaciones, sino también porque crearían nuevas exportaciones con un mayor valor agregado. Este aspecto podría ser un atractivo para la inversión extranjera y para proyectos de industrialización en el país.

EL Bioetanol ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de Biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades:

* E5: El Biocombustible E5 significa una mezcla del 5% de Bioetanol y el 95% de Gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla máxima autorizada en la actualidad por la regulación europea, sin embargo, es previsible una modificación de la normativa europea que aumentará este limite al 10% (E10) ya que diferentes estudios constatan que los vehículos actuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10% de Bioetanol y los beneficios para el medioambiente son significativos.

* E10: El Biocombustible E10 significa una mezcla del 10% de Bioetanol y el 90% de Gasolina normal. Esta mezcla es la más utilizada en EEUU, ya que hasta esta proporción de mezcla los motores de los vehículos no requieren ninguna modificación y e incluso produce la elevación del octano en la gasolina mejorando su resultado y obteniendo una notable reducción en la emisión de gases contaminantes.

* E85: Mezcla de 85% de Bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehículos con motores especiales. En EEUU las marcas más conocidas ofrecen vehículos adaptados a estas mezclas. También se comercializan, en algunos países (EEUU, Brasil, Suecia) los llamados vehículos FFV (Flexible Fuel Vehicles) o Vehículos de Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una variedad de mezclas.

* E95 y E100: Mezclas hasta el 95% y 100% de Bioetanol son utilizados en algunos países como Brasil con motores especiales.

* E-DIESEL: El Bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivo solvente y produciendo un biocombustible diesel el E-Diesel, con muy buenas características en cuanto a combustión y reducción de contaminación ofreciendo así otras alternativas al bioetanol en el campo de los vehículos Diesel. El E-Diesel ya se comercializa con éxito en EEUU y Brasil y pronto hará su aparición en España y Europa.

* ETBE: No se comercializa como un biocombustible, sino que se utiliza como un aditivo de la gasolina. El ETBE (etil ter-butil eter) se obtiene por síntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación del petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y más miscible con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la gasolina en proporciones del 10-15%. La adición de ETBE o etanol sirve para aumentar el índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo.


Diagrama del Proceso de Bioetanol